Theoretische Physik T2 Quantenmechanik I

Theoretische Physik T2
Quantenmechanik I
Helmut Neufeld
Fakultät für Physik
Universität Wien
Sommersemester 2012
ii
Inhaltsverzeichnis
1 Einführung
1
1.1
Historischer Überblick . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1
1.2
Grundprinzipien der Quantentheorie
. . . . . . . . . . . . . . . .
4
1.3
Quantenleiter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
12
2 Elementare Quantenmechanik
15
2.1
Wellenfunktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
15
2.2
Ortsmessung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
17
2.3
Hilbertraum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
20
2.4
Lineare Operatoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
21
2.5
Skalarprodukt und Erwartungswert . . . . . . . . . . . . . . . . .
24
2.6
Ortsoperator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
26
2.7
Impuls . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
28
2.8
Diracschreibweise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
31
2.9
Unschärferelation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
33
2.10 Zeitentwicklung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
35
3 Eindimensionale Probleme
41
3.1
Unendlich hoher Potentialtopf . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
41
3.2
Harmonischer Oszillator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
43
3.3
Kohärente Zustände . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
48
3.4
Potentialstufe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
49
iii
iv
INHALTSVERZEICHNIS
3.5
Streuung eines Wellenpakets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
53
3.6
Potentialwall . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
59
3.7
Deltapotential . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
63
3.8
Potentialtopf . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
66
4 Mathematische Struktur der Quantentheorie
71
4.1
Klassische Mechanik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
71
4.2
Axiome der Quantentheorie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
75
4.3
Schrödingerbild und Heisenbergbild . . . . . . . . . . . . . . . . .
84
4.4
Zweidimensionaler Zustandsraum . . . . . . . . . . . . . . . . . .
86
5 Spin 1/2
91
5.1
Spinmatrizen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
91
5.2
Magnetisches Moment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
94
5.3
Drehungen im Raum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
95
5.4
Experiment von Stern und Gerlach . . . . . . . . . . . . . . . . .
98
5.5
Bewegung eines Spins in einem Magnetfeld . . . . . . . . . . . . . 101
Kapitel 1
Einführung
1.1
Historischer Überblick
Die Einführung des Wirkungsquantums h durch Max Planck im Jahr 1900 gilt gemeinhin als die Geburtsstunde der Quantentheorie. Dennoch dauerte es noch ein
Vierteljahrhundert bis zur Entdeckung jener Naturgesetze, welche die Vorgänge
im atomaren Bereich beschreiben und eine radikale Abkehr von den Vorstellungen
der klassischen Physik bedeuteten. Die wichtigsten Schritte, die schließlich zu einer endgültigen Formulierung der nichtrelativistischen Quantenmechanik führten,
werden hier stichwortartig aufgelistet.
Max Planck (1900): Einführung des Planckschen Wirkungsquantums
h zur Beschreibung des Energiespektrums der Hohlraumstrahlung“. Energie”
dichte des elektromagnetischen Feldes im Frequenzintervall [ν, ν + dν]:
u(ν)dν =
8πh
ν3
dν.
c3 exp(hν/kT ) − 1
Für hν ≪ kT ergibt sich die klassische Formel (Rayleigh-Jeans)
u(ν) → ukl (ν) = 8πν 2 kT /c3 ,
die zur sog. Ultraviolettkatastrophe
Z∞
0
dν ukl (ν) = ∞
führt. → Klares Versagen der klassischen Physik für große Frequenzen. Idee
Plancks: Atome in den Wänden werden als harmonische Oszillatoren aufgefasst,
die Energie nur in ganzzahligen Vielfachen von hν (ν = Schwingungsfrequenz
1
2
KAPITEL 1. EINFÜHRUNG
des Oszillators) emittieren oder absorbieren. Aber nach wie vor Vorstellung eines
klassischen Strahlungsfeldes.
Albert Einstein (1905): Seine Lichtquantenhypothese besagt, dass
Licht aus Teilchen mit Impuls
~p = ~~k ~k = 2π/λ, ~ = h/2π
und Energie
E = c|~p | = c~~k = 2πc~/λ = hν = ~ω
besteht. Man beachte, dass E = c|~p | die Energie-Impuls-Beziehung eines
masselosen Teilchens ist. → Erklärung des Planckschen Strahlungsgesetzes und
des Photoeffekts.
Spektroskopie (ab 1885) lieferte Informationen über die Struktur der
Atome: Atome absorbieren und emittieren elektromagnetische Strahlung mit bestimmten charakteristischen Frequenzen (Spektrallinien).
Joseph John Thomson (1903): Gugelhupfmodell des Atoms. Elektronen
sitzen wie die Rosinen im Teig in einer homogenen positiven Ladungsverteilung.
Hans Geiger, Ernest Marsden (1908): Messung der Winkelverteilung
von
α Au → α Au
→ Ablenkung der α-Teilchen auch bei sehr großen Streuwinkeln θ > π/2 beobachtet. Durch Gugelhupfmodell nicht erklärbar!
Ernest Rutherford (1911): Klassische Berechnung des differentiellen Wirkungsquerschnitts zweier Punktladungen:
dσ
=
dΩ
mZ1 Z2 e2
2~p 2 sin2 (θ/2)
!2
→ Erklärung des Experiments von Geiger und Marsden: positive Ladung des
Goldatoms in sehr kleinem Kern ∼ 10−14 m konzentriert → Rutherfordsches Pla”
netenmodell“ des Atoms: Z Elektronen (mit negativer Gesamtladung −Ze) umkreisen einen winzigen Kern mit positiver Ladung Ze, der fast die gesamte Masse
des Atoms enthält.
Ungelöste Probleme: Diskrete Spektren, Stabilität der Atome (beschleunigte
elektrische Ladungen strahlen → Elektronen stürzen innerhalb kürzester Zeit in
den Kern → klassisches“ Atom ist instabil).
”
Niels Bohr (1913): Diskrete Frequenzen der Spektrallinien durch Übergänge
zwischen diskreten Energieniveaus der Atome zu erklären:
hνnm = En − Em .
3
1.1. HISTORISCHER ÜBERBLICK
Bohrsches Atommodell für das H-Atom: klassische Mechanik + aufgepfropfte
Quantenbedingungen → Aussonderung erlaubter Bahnen“ → diskrete Energie”
niveaus
2 2
13.6 eV
me c α
=−
, n = 1, 2, . . . ,
En = −
2
2n
n2
mit der Sommerfeldschen Feinstrukturkonstanten
e2
1
≃
.
~c
137
Allerdings: Drehimpuls im Grundzustand des Bohrschen Atommodells falsch:
ℓ = ~ (tatsächlich: ℓ = 0).
α=
ältere Quantentheorie (1913-1925): Versuch einer Weiterentwicklung der
Bohrschen Ideen (Arnold Sommerfeld u.a.), versagte jedoch bereits bei der Anwendung auf das He-Atom!
Louis de Broglie (1923): Jedes Teilchen besitzt ~Welleneigenschaften. Zusammenhang zwischen Impuls p~ und Wellenzahlvektor k
p~ = ~~k ~k = 2π/λ
und Energie E und Kreisfrequenz ω:
E=c
p
q
p~ 2 + m2 c2 = c ~2~k 2 + m2 c2 = ~ω.
Beschreibung eines Teilchens mit Impuls p~ = ~~k durch monochromatische ebene
Welle
h
i
exp i ~k · ~x − ω ~k t .
Werner Heisenberg (1925): Radikale Abkehr von den Vorstellungen der
klassischen Mechanik. Position Q und Impuls P eines Teilchens werden durch
unendlichdimensionale Matrizen mit der Vertauschungsrelation
QP − P Q = i~1
dargestellt. Ausbau der Matrizenmechanik durch Werner Heisenberg, Max
Born und Pascual Jordan.
Wolfgang Pauli (1925): Lösung des Wasserstoffproblems mit den Methoden
der Matrizenmechanik.
Erwin Schrödinger (1926): Aufstellung einer Wellengleichung für de
Broglie-Wellen (Schrödinger Gleichung). Lösung des Wasserstoffproblems. Beweis der mathematischen Äquivalenz von Matrizen- und Wellenmechanik: Darstellung von Q als Multiplikations- und von P als Differentialoperator
Q → q,
P → −i~
∂
,
∂q
4
KAPITEL 1. EINFÜHRUNG
die auf eine Wellenfunktion ψ(q) wirken.
Max Born (1926): Wahrscheinlichkeitsinterpretation der Wellenfunk-
tion. |ψ(q)|2 dq ist die Wahrscheinlichkeit das Teilchen im Ortsintervall [q, q + dq]
anzutreffen.
Heisenbergsche Unschärferelation (1927) als Folgerung aus der Quan-
tenmechanik:
∆Q∆P ≥ ~/2.
1.2
Grundprinzipien der Quantentheorie
Anhand eines Streuexperiments werden die Spielregeln der Quantentheorie
erläutert. Zu jedem Ereignis gibt es eine komplexe Wahrscheinlichkeitsamplitude,
deren Absolutquadrat die Wahrscheinlichkeit für das Eintreten des Ereignisses
angibt. Gibt es mehrere ununterscheidbare Möglichkeiten für den Übergang eines
physikalischen System von einem gegebenen Anfangszustand in einen bestimmten Endzustand, so werden die entsprechen Amplituden addiert. Zerlegt man eine
Amplitude in verschiedene (z.B. hintereinander stattfindende) Teile, so werden
die dazugehörigen Teilamplituden miteinander multipliziert.
Die mikroskopische Struktur eines Kristalls soll durch ein Streuexperiment untersucht werden. Von einer Quelle Q, die sich in sehr großem Abstand von dem zu
untersuchenden Objekt befindet, wird ein Teilchen (z.B. ein Neutron) mit dem
Impuls ~p ausgesandt. Ebenfalls in großem Abstand von dem Streuzentrum sind
Detektoren aufgestellt, die feststellen können, in welches Raumwinkelelement das
Teilchen gestreut wurde. Dabei soll der gesamte Raumwinkel 4π durch Detektoren
erfasst werden.
Detektor D u
Quelle Q
-
*
θ
Kristall
Abbildung 1.1: Streuung eines Teilchens an einem Kristall.
Man beobachtet nun, dass stets genau einer der Detektoren anspricht und nicht
etwa mehrere gleichzeitig oder manchmal gar keiner. Das ist genau das Verhal-
1.2. GRUNDPRINZIPIEN DER QUANTENTHEORIE
5
ten, das man von einem Teilchen“ erwartet. Wir nehmen natürlich an, dass wir
”
ideale“ Detektoren zur Verfügung haben, die stets richtig ansprechen und nie
”
eine Fehlmeldung abgeben. (Das ist das Schöne an Gedankenexperimenten: Wir
müssen uns um die technische Realisierung nicht kümmern!)
Das gestreute Teilchen landet mit dem Impuls p~ ′ im Detektor, der Impulsübertrag p~ − p~ ′ soll von dem gesamten Kristall aufgenommen werden. Da wir den
Kristall (verglichen mit dem Sondenteilchen) als unendlich schwer betrachten
können, ist |~p ′ | = |~p |. Wir wollen weiters annehmen, dass der Durchgang des
Teilchens durch den Kristall dort keinerlei Spuren hinterlässt, wir also bei einer
nachherigen Untersuchung des Kristalls auch im Prinzip nicht feststellen können,
mit welchem Gitteratom eine Wechselwirkung stattgefunden hat.1 D.h. der Endzustand des Kristalls nach dem Streuvorgang soll gleich seinem ursprünglichen
Anfangszustand sein. Der Kristall wirkt also, unter den gegebenen Annahmen,
wie ein äußeres Kraftfeld auf das Sondenteilchen.
Der besprochene Vorgang wird nun sehr oft wiederholt. Das heißt, wir schießen
ein Teilchen auf den Kristall und notieren in welchem Detektor es schließlich landet. Erst dann schicken wir das nächste Teilchen los, schauen welcher Detektor
angesprochen hat und so weiter. Es befindet sich also immer nur ein Sondenteilchen in der Versuchsapparatur. Nach Auswertung der Daten erhält man eine
Raumwinkelverteilung, die charakteristisch für das untersuchte Objekt ist.
Man kann zwar bei einem einzelnen Streuvorgang nicht vorhersagen, in welchem Detektor das Teilchen landen wird (in diesem Sinn ist die Natur indeterministisch), für die Raumwinkelverteilung der Teilchen erhält man bei einer
Wiederholung der Messreihe mit unveränderten Anfangsbedingungen (innerhalb
der üblichen statischen Schwankungen) aber dasselbe Ergebnis (in diesem Sinn
ist die Natur deterministisch).
Wie kann man das Zustandekommen der beobachteten Winkelverteilung nun
theoretisch beschreiben? Um dies anhand eines besonders einfachen Beispiels zu
erklären, machen wir die folgende Annahme: In unserem Kristall sollen sich zwei
Fremdatome A1 und A2 im Abstand d an den Gitterplätzen 1 und 2 befinden.
Die Wechselwirkung des Sondenteilchens mit den übrigen Atomen im Kristall soll
vernachlässigbar klein sein, sodass wir uns nur um die Wechselwirkung mit den
zwei Streuzentren an den Punkten 1 und 2 kümmern müssen. Weiters wollen wir
annehmen, dass die Abmessungen der beiden Atome viel kleiner sind, als die de
Broglie-Wellenlänge λ = h/|~p | des Sondenteilchens. (D.h. die Atome können bei
dem verwendeten Impuls als punktförmig angesehen werden.)
1
Das Gegenteil wäre der Fall, wenn etwa durch die Wechselwirkung mit dem Sondenteilchen
ein Atom von seinem Gitterplatz entfernt wird. Thermische Neutronen haben eine Energie von
etwa 1/40 eV, während die Bindungsenergie der Atome im Kristall einige eV beträgt. In diesem
Fall wird der Atomkern nur mit sehr kleiner Wahrscheinlichkeit aus seiner Ruhelage ausgelenkt
und es ist nicht feststellbar, an welchem Atom die Streuung stattgefunden hat.
6
KAPITEL 1. EINFÜHRUNG
-
Q u
p~
-
D
>
p
u
~′
>
1
x
>
S
S
θ
S d
S
x d sin θ
2
Abbildung 1.2: Streuung an zwei Atomen.
Man beobachtet nun folgendes: In vielen Fällen wird das Teilchen nicht abgelenkt
und landet in dem Detektor, der dem Streuwinkel θ = 0 entspricht. Interessanter
sind jene Fälle, in denen das Teilchen gestreut gestreut wird (θ 6= 0).
Wir wollen nun die Wahrscheinlichkeit dafür finden, dass ein von der Quelle
Q emittiertes Teilchen in einem bestimmten Detektor D (θ 6= 0) nachgewiesen
wird. Nach der ersten Regel der Quantentheorie gibt es dafür eine komplexe
(Wahrscheinlichkeits-) Amplitude, die wir mit
hD, aus|Q, eini
bezeichnen. Dabei haben wir eine in der Quantentheorie übliche Notation verwendet. Gewöhnungsbedürftig ist dabei, dass der Anfangszustand rechts vom
Endzustand steht und man die Formel von rechts nach links lesen muss!
Aus der Wahrscheinlichkeitsamplitude erhält man die Wahrscheinlichkeit für
das dazugehörige Ereignis dadurch, dass man die Länge der Amplitude quadriert.
In unserem Fall ist also die gesuchte Wahrscheinlichkeit durch
|hD, aus|Q, eini|2
gegeben.2
Um gleich zur zweiten Regel der Quantentheorie zu kommen, stellen wir fest,
dass das Teilchen zwei Möglichkeiten3 hat von Q nach D zu gelangen:
1. Das Teilchen bewegt sich von der Quelle Q zum Gitterpunkt 1, dort findet
eine Wechselwirkung mit dem Atom A1 statt und anschließend bewegt sich
das Teilchen vom Punkt 1 zum Detektor D. Die entsprechende Amplitude
bezeichnen wir mit hD|Qi1. Wäre das zweite Atom nicht vorhanden, so
wäre die Wahrscheinlichkeit, dass der Detektor D anspricht durch |hD|Qi1|2
gegeben.
2
3
Wir werden in Hinkunft ein“ und aus“ weglassen.
”
”
Die zusätzliche Möglichkeit einer Mehrfachstreuung werden wir später besprechen.
1.2. GRUNDPRINZIPIEN DER QUANTENTHEORIE
7
2. Das Teilchen bewegt sich von der Quelle Q zum Punkt 2, dort findet eine Wechselwirkung mit dem Atom A2 statt und anschließend bewegt sich
das Teilchen vom Punkt 2 zum Detektor D. Die entsprechende Amplitude bezeichnen wir mit hD|Qi2. Die Streuwahrscheinlichkeit wäre dann bei
Abwesenheit des ersten Atoms einfach |hD|Qi2|2 .
Da wir angenommen haben, dass die Wechselwirkung in dem Kristall keine
Spuren hinterlässt, ist nicht feststellbar, welchen der beiden Wege das Teilchen
tatsächlich genommen hat. Nach der zweiten Regel der Quantentheorie sind in
diesem Fall die Amplituden für die beiden ununterscheidbaren Möglichkeiten
zu addieren, um zur Gesamtamplitude zu gelangen:
hD|Qi = hD|Qi + hD|Qi .
| {z } | {z }1 | {z }2
φ12
φ1
φ2
Die beiden Amplituden φ1 und φ2 kann man nun in weitere Einzelteile zerlegen.
So setzt sich der durch die Amplitude φ1 beschriebene Vorgang aus folgenden
Abschnitten zusammen:
1. Das Teilchens bewegt sich von der Quelle Q zum Gitterpunkt 1. Die dazugehörige Amplitude nennen wir K(1, Q). Die Wahrscheinlichkeit, dass das
Teilchen am Ort 1 eintrifft, wenn es von der Quelle Q produziert wurde, ist
daher |K(1, Q)|2.
Bemerkung: Eine Amplitude, welche die (freie) Bewegung eines Teilchens
beschreibt, wird manchmal auch Ausbreitungskern oder Propagator genannt.
2. Zwischen dem Teilchen und dem Atom A1 findet eine Wechselwirkung statt.
Die entsprechende Amplitude bezeichnen wir mit W1 . |W1 |2 ist daher die
Wahrscheinlichkeit dafür, dass bei 1 eine Wechselwirkung stattfindet.
3. Das Teilchen bewegt sich vom Punkt 1 zum Detektor D mit Amplitude
K(D, 1).
Nach der dritten Regel der Quantentheorie erhält man nun die Amplitude φ1
dadurch, dass man die Teilamplituden für die drei hintereinander stattfinden
Vorgänge miteinander multipliziert:
φ1 = hD|Qi1 = K(D, 1) W1 K(1, Q).
Die Zerlegung von φ2 erfolgt natürlich analog und man erhält schließlich die
Gesamtamplitude für den Nachweis des bei Q ausgesandten Teilchens im Detektor
D durch den Ausdruck
hD|Qi = K(D, 1) W1 K(1, Q) + K(D, 2) W2 K(2, Q) .
| {z } |
{z
} |
{z
}
φ12
φ1
φ2
8
KAPITEL 1. EINFÜHRUNG
Wir schreiben nun die die beiden komplexen Zahlen φ1 und φ2 in der Form
φ1 = |φ1 |eiϕ1 ,
φ2 = |φ2 |eiϕ2 ,
mit reellen Phasenwinkeln ϕ1 und ϕ2 . w1 = |φ1 |2 ist die Wahrscheinlichkeit, dass
der Detektor D anspricht, wenn nur das Atom A1 vorhanden ist und w2 = |φ2 |2
die entsprechende Wahrscheinlichkeit, wenn nur das Streuzentrum 2 vorhanden
ist. Sind beide Streuatome vorhanden, so ist die Wahrscheinlichkeit, dass der
Detektor D anspricht durch
w12 = |φ12 |2 = |φ1 + φ2 |2 = |φ1|2 + |φ2|2 + 2|φ1||φ2 | cos(ϕ2 − ϕ1 )
|{z} |{z} |
{z
}
w1
w2
Interferenzterm
gegeben. Das Ergebnis ist also nicht einfach die Summe der Wahrscheinlichkeiten
w1 , w2 der Streuung an den beiden Atomen, sondern es tritt ein zusätzlicher In√
terferenzterm 2 w1 w2 cos(ϕ2 −ϕ1 ) auf, der von der Phasendifferenz der beiden
Streuamplituden abhängt.
Wir wollen nun die Abhängigkeit dieses Interferenzeffekts vom Streuwinkel θ
genauer untersuchen. Wenn (wie in Abbildung 1.2) die Verbindungslinie von A1
und A2 normal auf p~ steht, haben wir keine Phasendifferenz zwischen K(1, Q) und
K(2, Q) und wir können diese beiden Amplituden gleich setzen. Ebenso wollen
wir annehmen, dass die beiden Atome gleich sind und daher W1 = W2 gilt. In
diesem Fall ist
φ12 ∼ K(D, 1) + K(D, 2)
und wir müssen uns nur mehr um die Ausbreitungsamplituden von den Punkten
1 und 2 zum Detektor D kümmern. Diese haben die Form
K(D, 1) ∼
eipr1 /~
,
r1
K(D, 2) ∼
eipr2 /~
,
r2
p = |~p | = |~p ′|,
wobei r1,2 die Abstände der Gitterpunkte 1, 2 zum Detektor D sind. Da r1,2 ≫ d,
gilt
r2 − r1 = d sin θ.
|φ1 |2 ≃ |φ2 |2 = w,
|{z}
|{z}
w1
w2
Für die Phasendifferenz erhält man
ϕ2 − ϕ1 = p(r2 − r1 )/~ = pd sin θ/~
und somit
w12 = 2w [1 + cos(pd sin θ/~)] = 4w cos2 (pdπ sin θ/h) = 4w cos2 (dπ sin θ/λ),
wobei λ = h/p die de Broglie-Wellenlänge ist. Das erste Interferenzminimum tritt
für dπ sin θ/λ = π/2 auf, d.h. für jenen Winkel θ, der sin θ = λ/2d erfüllt. Da
1.2. GRUNDPRINZIPIEN DER QUANTENTHEORIE
9
| sin θ| ≤ 1, ist dies nur möglich, falls λ ≤ 2d. Das darauf folgende Interferenzmaximum tritt für dπ sin θ/λ = π, d.h. für sin θ = λ/d auf. Dies ist nur möglich,
falls λ ≤ d.
Bemerkungen:
1. Der Interferenzeffekt beim Doppelspaltversuch kann auf analoge Weise
diskutiert werden.
2. Bei der Behandlung der Streuung an einem realistischen Kristall müssen
die Beiträge von allen Atomen, die sich an den durch den Index i durchnumerierten Gitterplätzen befinden, summiert werden:
hD|Qi =
X
K(D, i)Wi K(i, Q)
i
3. Wir haben in unserer bisherigen Analyse nur jene Beiträge zur Gesamtamplitude berücksichtigt, bei denen das Teilchen genau einmal an einem
Atom gestreut wird. Wie zusätzliche Beiträge infolge von Mehrfachstreuung einzubauen sind, sollte jetzt klar sein:
hD|Qi =
X
i
K(D, i)Wi K(i, Q) +
X
i,j
K(D, j)Wj K(j, i)Wi K(i, Q) + O(W 3 )
Ein wesentlicher Punkt bei der bisherigen Diskussion war die Annahme, dass der
Zustand des Kristalls durch die Wechselwirkung nicht geändert wird, dass wir
also nicht sagen können, an welchem Atom die Streuung tatsächlich stattgefunden hat. Ein durchaus realistischer Fall, bei dem diese Annahme i.A. nicht mehr
gerechtfertigt ist, tritt auf, wenn der Spin des in dem Streuexperiment verwendeten Teilchens und der Kernspin der Atome eine Rolle spielt. Tatsächlich besitzen
Neutronen einen Eigendrehimpuls (Spin), der bezüglich einer willkürlich gewählten Richtung zwei mögliche Einstellungsrichtungen besitzt ( Spin hinauf“ und
”
Spin hinunter“). Haben die Atomkerne keinen Spin, spielt der Spin des Neu”
trons keine Rolle und wir haben die vorhin diskutierte Situation. Anders ist die
Lage, wenn die Atomkerne des Kristalls ebenfalls einen Spin besitzen.4 Wenn der
Spin des Neutrons und der Kernspin in dieselbe Richtung zeigen, kann während
des Streuvorgangs keine Änderung des Spins auftreten. Zeigen aber der Spin des
Neutrons und der Kernspin in entgegengesetzte Richtungen, dann gibt es für den
Streuvorgang zwei Möglichkeiten: entweder beide Spins bleiben unverändert, oder
beide klappen um und schauen dann in die jeweils andere Richtung.
4
Wir wollen der Einfachheit halber auch für den Kernspin nur zwei Einstellungsmöglichkeiten annehmen.
10
KAPITEL 1. EINFÜHRUNG
Wir kehren nun wieder zu unserem Gedankenexperiment mit den zwei Atomen
zurück, diese sollen jetzt aber jeweils zwei Spinfreiheitsgrade besitzen. Wir führen
die folgende Notation ein:
n↑ , n↓
bezeichnet ein Neutron mit Spin hinauf“ bzw. Spin hinunter“,
”
”
Ai↑ , Ai↓
ein am Gitterplatz i (i = 1, 2) befindliches Atom mit Kernspin hinauf“ bzw.
”
hinunter“.
”
Wenn wir annehmen, dass die beiden Kernspins vor der Streuung hinauf zeigen und der Spin des einlaufenden Neutrons nach unten, dann gibt es folgende
Möglichkeiten für die Endzustände des Streuexperiments:
1. Es kommt zu keinem Umklappen des Spins des Neutrons. Da sich der
Zustand der beiden Atome nicht ändert, tritt ein Interferenzeffekt auf und
die Streuamplitude ist durch
ψ0 = hD n↓ , A1↑ , A2↑ |Q n↓ , A1↑ , A2↑ i
= K(D, 1) W1 K(1, Q) + K(D, 2) W2 K(2, Q)
gegeben, wobei Wi jetzt die Amplitude für die Streuung des Neutrons am
Atom Ai ohne Umklappen des Spins bedeutet.
2. Der Spin des Neutrons klappt durch die Wechselwirkung mit dem Kern des
ersten Atoms um. Die Streuamplitude lautet jetzt
ψ1 = hD n↑ , A1↓ , A2↑ |Q n↓ , A1↑ , A2↑ i
= K(D, 1) W1′ K(1, Q),
mit der Amplitude W1′ für die Wechselwirkung des Neutrons mit dem Kern
des ersten Atoms, wenn die Spins umgeklappt werden. Da das zweite Atom
an dem Streuvorgang nicht beteiligt ist, tritt kein Interferenzeffekt auf.
3. Der Spin des Neutrons des Elektrons klappt durch die Wechselwirkung mit
dem Kern des zweiten Atoms um. Die Streuamplitude lautet
ψ2 = hD n↑ , A1↑ , A2↓ |Q n↓ , A1↑ , A2↑ i
= K(D, 2) W2′ K(2, Q),
mit der Amplitude W2′ für die Wechselwirkung des Neutrons mit dem Kern
des zweiten Atoms mit Umklappen der Spins. Da das erste Atom an dem
Streuvorgang nicht beteiligt ist, tritt wieder kein Interferenzeffekt auf.
1.2. GRUNDPRINZIPIEN DER QUANTENTHEORIE
11
Obwohl der Spin des im Detektor nachgewiesenen Neutrons sowohl im zweiten
als auch im dritten Fall nach unten zeigt, dürfen die entsprechenden Amplituden keinesfalls addiert werden, da die beiden Endzustände verschieden (und
damit unterscheidbar) sind. Die vollständige Beschreibung des Endzustandes erfordert nämlich auch die Berücksichtigung der beiden Atome! Im zweiten Fall
zeigt der Kernspin des ersten Atoms nach dem Streuvorgang nach unten und der
des zweiten Atoms nach oben, im dritten Fall ist es gerade umgekehrt. Man könnte daher durch eine Untersuchung des Kristalls im Prinzip feststellen, an welchem
Atom die Streuung stattgefunden hat. (Für den Ausgang des Experiments ist es
natürlich unerheblich, ob man tatsächlich nachschaut“, wesentlich ist nur, dass
”
man es im Prinzip könnte.)
Die Wahrscheinlichkeit dafür, dass das Neutron im Detektor D (unabhängig von
seiner Spineinstellung) landet, erhält man daher durch die Addition der Wahrscheinlichkeiten für die drei verschiedenen Endzustände:
|ψ0 |2 + |ψ1 |2 + |ψ2 |2 .
Bemerkung: Übertragen auf den Doppelspaltversuch bedeutet dies: Wenn ich
auf irgendeine Weise feststellen kann, durch welchen Spalt das Teilchen gegangen ist, tritt keine Interferenz auf. Diese ist nur möglich, wenn prinzipiell nicht
festgestellt werden kann, welchen der beiden Wege das Teilchen genommen hat.
Wir wollen jetzt noch eine weitere Variante unseres Gedankenexperiments besprechen. Dabei nehmen wir wieder an, dass die beiden Kernspins vor der Streuung
nach oben“ polarisiert sind, der Spin des von der Quelle produzierten Neutrons
”
jedoch in 50 % der Fälle nach oben und in 50 % der Fälle nach unten zeigt. Die
drei möglichen Amplituden ψ0 , ψ1 , ψ2 für einen Anfangszustand mit Neutronspin
nach unten haben wir oben bereits besprochen. Zeigt der Spin des Neutrons im
Anfangszustand nach oben, so kann es bei der Streuung zu keinem Umklappen
der Kernspins kommen, da diese ja ebenfalls nach oben zeigen. Die dazugehörige Amplitude χ0 wird daher wieder vom Interferenztyp“ sein, da man ja nicht
”
feststellen kann, ob die Streuung am ersten oder am zweiten Atom erfolgt ist.
Die Wahrscheinlichkeit, dass der Detektor (unabhängig vom Spin des Neutrons
im Endzustand) ein Signal gibt, ist in diesem Fall
1
1
|ψ0 |2 + |ψ1 |2 + |ψ2 |2 + |χ0 |2 ,
2
2
d.h. man muss über die zwei möglichen Spineinstellungen im Anfangszustand
mitteln. Sind die Neutronen im Anfangszustand teilweise polarisiert, so lautet
die entsprechende Formel
p |ψ0 |2 + |ψ1 |2 + |ψ2 |2 + (1 − p)|χ0 |2 ,
0 ≤ p ≤ 1,
12
KAPITEL 1. EINFÜHRUNG
wobei p die Wahrscheinlichkeit ist, dass der Spin des einlaufenden Neutrons nach
unten zeigt. Man spricht in diesem Fall übrigens von einem gemischten Anfangszustand, im Gegensatz zu dem früher diskutierten Fall eines reinen Zustands,
bei dem der Spin des einlaufenden Neutrons immer nach unten zeigte (dies entspricht dem Grenzfall p = 1).
Literatur: R.P. Feynman, R.B. Leighton, M. Sands: The Feynman Lectures on
Physics, vol. 3 (Quantum Mechanics), Addison-Wesley, Reading, Massachusetts,
1965
1.3
Quantenleiter
Wie wir im letzten Abschnitt gesehen haben, gibt das Interferenzmuster in einem
Streuexperiment einen Hinweis auf zwei (i. A. mehrere) Streuzentren. Da aber Interferenz nur dann auftritt, wenn die de Broglie-Wellenlänge des Sondenteilchens
kleiner als der Abstand der Streuzentren ist (λ = h/p ≤ d) ist das Auflösungsvermögen durch λ (bzw. die Größe des verwendeten Impulses) beschränkt.
Ein Lichtmikroskop verwendet als Sondenteilchen Photonen des sichtbaren
Lichts mit Wellenlängen zwischen λ = 360 nm = 3.6 × 10−7 m (violettes Licht)
und λ = 780 nm = 7.8 × 10−7 m (rotes Licht). Deshalb ist die Untersuchung von
Bakterien ∼ 10−6 m mit Hilfe eines Lichtmikroskops möglich.
Viren (∼ 10−7 m) sind dagegen für Untersuchungen durch ein Lichtmikroskop
zu klein und erfordern daher eine kleinere de Broglie-Wellenlänge (bzw. einen
größerer Impuls) des Sondenteilchens. Man benötigt daher in diesem Fall ein
Elektronenmikroskop.
Die Röntgenstrukturanalyse gestattet die Untersuchung der Gitterstruktur
eines Kristalls mit Gitterabständen von ∼ 10−10 m, was gerade der Wellenlänge
von Röntgenstrahlung entspricht.
Eine oft verwendete Energieeinheit ist das Elektronvolt. Ein Elektronvolt (eV)
entspricht jener kinetischen Energie, die ein Teilchen mit Elementarladung e (z.B.
e+ , p) gewinnt, wenn es die Potentialdifferenz von einem Volt durchläuft.
Man erhält daraus sofort eV/c als Impulseinheit und eV/c2 als Masseneinheit.
Typische Beispiele für die Verwendung dieser Einheiten sind me ≃ 0.5 MeV/c2 ,
mp ≃ mn ≃ 940 MeV/c2 .
Mit Hilfe der Quantenleiter lässt sich der Zusammenhang zwischen dem Impuls
eines Teilchens und dem Auflösungsvermögen auf einen Blick sehen:
h = λp
1.3. QUANTENLEITER
h =
=
=
=
=
13
(1.2 × 10−6 m) · (1 eV/c)
(1.2 × 10−10 m) · (104 eV/c) = (1.2 × 10−10 m) · (10 keV/c)
(1.2 × 10−15 m) · (109 eV/c) = (1.2 × 10−15 m) · (1 GeV/c)
(1.2 × 10−17 m) · (1011 eV/c) = (1.2 × 10−17 m) · (100 GeV/c)
(1.2 × 10−18 m) · (1012 eV/c) = (1.2 × 10−18 m) · (1 TeV/c)
Immer größere Impulse gestatten die Untersuchung immer kleinerer Strukturen.
Auf den Sprossen dieser Quantenleiter gelangt man von der Lichtmikroskopie
(Untersuchung von Zellen, Bakterien, ...) zur Elektronenmikroskopie (Viren, ...)
über die Röntgenstreuung (Struktur von Atomgittern, ...) zu den Experimenten
der Kernphysik (Untersuchung von Atomkernen, ...) und schließlich der Teilchenphysik (Substruktur der Nukleonen → Quarks, Gluonen, ...). In den Experimenten der Teilchenphysik konnten die elektroschwache und die starke Wechselwirkung bisher bis zu Distanzen von ∼ 10−18 m untersucht werden. Selbst bei diesen
winzigen Abständen konnte keine Abweichung von den Grundregeln der Quantentheorie5 festgestellt werden.
Typische Energien von Hochenergiebeschleunigern:
• LEP (1989-2000)
e+ e−
100 GeV + 100 GeV
• LHC (seit 2009)
5
pp
3.5 TeV + 3.5 TeV ( 7 TeV + 7 TeV)
Pb Pb
287 TeV + 287 TeV
Bei diesen großen Energien erfolgt die Beschreibung der erwähnten fundamentalen Wechselwirkungen durch eine so genannte relativistische Quantenfeldtheorie, welche die Spielregeln
der (speziellen) Relativitätstheorie mit jenen der Quantentheorie verbindet.
14
KAPITEL 1. EINFÜHRUNG
Kapitel 2
Elementare Quantenmechanik
Die quantenmechanische Beschreibung eines spinlosen, nichtrelativistischen Teilchens wird besprochen. Grundkonzepte der Quantentheorie (reiner Zustand, Observable, mögliche Messwerte einer Observablen, Mittelwert) werden zusammen
mit ihren mathematischen Entsprechungen (Wellenfunktion, hermitescher Operator, Spektrum eines hermiteschen Operators, Erwartungswert) anhand dieses
einfachen Beispiels erläutert. Die Diracschreibweise gestattet die Formulierung
der Quantenmechanik ohne Bezugnahme auf eine spezielle Darstellung (wie etwa
die Orts- oder Impulsdarstellung). Die allgemeine Form der Unschärferelation
ist eine unmittelbare Konsequenz der Nichtkommutativität von Observablen. Die
Zeitentwicklung eines reinen Zustands wird durch die Schrödingergleichung beschrieben.
2.1
Wellenfunktion
Ein Teilchen (allgemein ein physikalisches System) kann sich in vielen verschiedenen Zuständen befinden. Besitzt man die maximal mögliche Information über
den Zustand eines Systems, so spricht man von einem reinen Zustand, ist die
Information unvollständig, von einem gemischten Zustand. In der klassischen Mechanik ist ein reiner Zustand eines Teilchens (zu einem bestimmten Zeitpunkt)
durch die Angabe der Position ~x und der Geschwindigkeit ~v des Teilchens festgelegt. In der Quantenmechanik wird ein reiner Zustand eines Teilchens mit Spin
0 durch eine komplexwertige Wellenfunktion ψ(~x) mit der Normierungsbedingung
Z
d3 x |ψ(~x)|2 = 1
R3
15
16
KAPITEL 2. ELEMENTARE QUANTENMECHANIK
beschrieben. Erstreckt man die Integration nur über ein Teilgebiet V , so gibt der
Ausdruck
Z
d3 x |ψ(~x)|2
V
die Wahrscheinlichkeit an, das Teilchen irgendwo im Gebiet V ⊂ R3 anzutreffen. Die Normierungsbedingung bedeutet daher, dass die Wahrscheinlichkeit, das
Teilchen irgendwo im gesamten Raum zu finden gleich eins ist. ρ(~x) = |ψ(~x)|2
wird daher auch als Wahrscheinlichkeitsdichte bezeichnet.
Bemerkung: In der Sprache von Abschnitt 1.2 ist
h~x|ψi ≡ ψ(~x)
die Amplitude, das Teilchen am Ort ~x zu finden, wenn es sich in dem reinen
Zustand ψ befindet.
Die experimentelle Realisierung eines Zustands kann man sich durch eine
sehr große Zahl N gleich präparierter Kopien (ein Ensemble) des betrachteten
physikalischen Systems (in unserem Fall: des Teilchens) vorstellen.
Wir wollen nun annehmen, dass wir einen Detektor D haben, der feststellen kann,
ob sich das Teilchen zu dem betrachteten Zeitpunkt irgendwo in dem Gebiet
V ⊂ R3 befindet. Ein zweiter Detektor D ′ soll registrieren, ob sich das Teilchen
außerhalb des Gebiets V aufhält. Wir führen diese Messung an allen N Kopien
unseres Systems durch. Dabei stellen wir fest, dass bei einer gegebenen Kopie
des Systems jeweils genau einer der beiden Detektoren anspricht, also nie beide
gleichzeitig oder nie keiner von beiden. Das Teilchen wird also immer entweder
in V oder in V ′ = R3 \V vorgefunden. Bezeichnen wir mit NV die Anzahl der
Fälle, in denen der Detektor D angesprochen hat und mit NV ′ die entsprechende
Anzahl für den Detektor D ′ , so ist daher NV + NV ′ = N.
Im Grenzfall N → ∞ ist
NV
N →∞ N
wV = lim
die Wahrscheinlichkeit, dass das Teilchen im Gebiet V angetroffen wird. Wurde
der durch die Wellenfunktion ψ(~x) beschriebene Zustand präpariert, so ist
Z
wV = d3 x |ψ(~x)|2 ,
V
R
d.h. der theoretische Wert V d3 x |ψ(~x)|2 ist der Erwartungswert für das
Verhältnis NV /N, welches für endliches
N gemäß den bekannten statistischen
R
Regeln um den theoretischen Wert V d3 x |ψ(~x)|2 verteilt ist.
17
2.2. ORTSMESSUNG
Man kann zwar nicht vorhersagen, bei welcher Kopie des Systems gerade der
Detektor D ansprechen wird1 (in diesem Sinn ist die Quantenmechanik nicht
deterministisch). Man kann aber sehr wohl die Wahrscheinlichkeit angeben, mit
der der Detektor D ein Signal geben wird, wenn der durch die Wellenfunktion ψ
beschriebene Zustand präpariert wurde (in diesem Sinn ist die Quantenmechanik
deterministisch).
Aufgaben:
1. Die oben beschriebene Messung werde an N Kopien des Systems durchgeführt. Wie groß ist die Wahrscheinlichkeit pn , dass das Teilchen bei genau
n Kopien (n = 1, . . . , N) im Gebiet V nachgewiesen wird. Bestimmen Sie
den Mittelwert und die Schwankung von n. (Hinweis: Binomialverteilung)
2. Verallgemeinern Sie die Dikussion dieses Abschnitts auf den Fall von K
Detektoren Dk (k = 1, . . . , K > 2), welche feststellen können,
ob sich das
S
3
V
Teilchen innerhalb der disjunkten Gebiete Vk befindet ( K
k=1 k = R ).
2.2
Ortsmessung
Wie wird der durch die Wellenfunktion ψ beschriebene Zustand durch eine Messung verändert? Wenn der Detektor D angesprochen hat, wissen wir nun, dass
sich das Teilchen mit Sicherheit im Gebiet V befindet. War der ursprüngliche
Zustand des Teilchens durch die Wellenfunktion ψ beschrieben, so können wir
behaupten, dass die Wellenfunktion nach der Messung durch
cV (~x)ψ(~x)
qR
d3 x |ψ(~x)|2
V
gegeben ist, wobei cV (~x) die charakteristische Funktion (Indikatorfunktion) des
Gebietes V ist:
(
1 falls ~x ∈ V
.
cV (~x) =
0 sonst
Der hier beschriebene Vorgang wird manchmal auch Zustandsreduktion (oder
Reduktion des Wellenpakets) genannt.
Die Vorschrift Multipliziere ψ(~x) mit der Funktion cV (~x)!“ ist ein typisches
”
Beispiel für einen linearen Operator:
cV (~x) a1 ψ1 (~x) + a2 ψ2 (~x) = a1 cV (~x)ψ1 (~x) + a2 cV (~x)ψ2 (~x), a1,2 ∈ C.
1
Es sei denn, die Wellenfunktion würde entweder außerhalb des Gebiets V oder auf ganz V
verschwinden.
18
KAPITEL 2. ELEMENTARE QUANTENMECHANIK
Unter einer Eigenfunktion φ(~x) dieses linearen Operators versteht man eine
nicht verschwindende Funktion mit der Eigenschaft
cV (~x)φ(~x) = λφ(~x),
λ ∈ C.
Die Zahl λ bezeichnet man als Eigenwert des Operators und die obige Gleichung als Eigenwertgleichung (des betrachteten Multiplikationsoperators). Da
im vorliegenden Fall cV (~x)cV (~x) = cV (~x) gilt, folgt aus der Eigenwertgleichung
die Beziehung λ2 = λ, sodass als Eigenwerte nur 0 oder 1 in Frage kommen.
Die Menge der Eigenwerte eines linearen Operators bezeichnet man auch als sein
Spektrum. Im Fall unseres Multiplikationsoperators ist das Spektrum also die
Menge {0, 1}.
Es gibt also für den Multiplikationsoperator cV (~x) zwei Typen von Eigenfunktionen: Ist φ(~x) = 0 ∀ ~x ∈
/ V , so ist der dazugehörige Eigenwert λ = 1. Ist dagegen
φ(~x) = 0 ∀ ~x ∈ V , so ist λ = 0.
Physikalisch steht der Multiplikationsoperator cV (~x) in unmittelbarer Beziehung
zu dem Ja/Nein-Experiment Befindet sich das Teilchen im Gebiet V ?“. Den
”
beiden möglichen Ergebnissen der Messung (Ja oder Nein) entsprechen die Eigenwerte 1 oder 0. Die normierten Eigenfunktionen zum Eigenwert 1 sind genau
jene Wellenfunktionen, bei denen das Teilchen mit Sicherheit im Gebiet V angetroffen wird, dagegen sind die normierten Eigenfunktionen zum Eigenwert 0
genau jene Wellenfunktionen, bei denen das Teilchen immer außerhalb von V
vorgefunden wird.
Der Erwartungswert
Z
d3 x ψ(~x)∗ cV (~x)ψ(~x),
R3
des Operators cV (~x) in dem durch die Wellenfunktion ψ(~x) beschriebenen Zustand, ist gerade die bereits früher besprochene Wahrscheinlichkeit wV , das Teilchen im Gebiet V zu finden.
Weitere Beispiele für lineare (Multiplikations-) Operatoren sind die Ortsoperatoren x1 , x2 , x3 :
ψ(~x) → xi ψ(~x), i = 1, 2, 3.
Betrachten wir etwa die Eigenwertgleichung für x1 ,
x1 φ(~x) = y1 φ(~x),
so ist die Lösung des Eigenwertproblems durch
φ(~x) = δ(x1 − y1 )f (x2 , x3 )
gegeben, wobei y1 beliebige reelle Werte annehmen kann. Das Spektrum von x1 ist
also ganz R. Die Eigenfunktionen (genauer Eigendistributionen) sind in diesem
19
2.2. ORTSMESSUNG
Fall allerdings nicht normierbar, was bei einem kontinuierlichen Spektrum
charakteristisch ist.
Man kann auch Distributionen angeben, die simultane Eigendistributionen von
x1 , x2 , x3 sind:
φ~y (~x) = δ(x1 −y1 )δ(x2 −y2 )δ(x3 −y3 ) = δ (3) (~x −~y ),
xi δ (3) (~x −~y ) = yi δ (3) (~x −~y ).
Die nicht normierbaren Eigendistributionen φ~y (~x) = δ (3) (~x − ~y ) stellen gewissermassen den Grenzfall von Wellenfunktionen dar, bei denen das Teilchen immer
besser am Ort ~y lokalisiert ist.
Wird der Zustand eines Teilchens durch die Wellenfunktion ψ(~x) beschrieben, so
ist der Erwartungswert des Ortsoperators ~x durch
Z
Z
3
∗
d x ψ(~x) ~x ψ(~x) = d3 x |ψ(~x)|2~x
R3
R3
gegeben.
Man kann sich die entsprechende experimentelle Situation so vorstellen, dass
man Ortsmessungen mit beliebig großer Genauigkeit durchführen kann. Für die
Messung der Position des Teilchens ergibt sich dann bei der k-ten Kopie des
Systems der Messwert ~x(k) und als Mittelwert von sehr vielen Messungen
N
X
~x(k)
k=1
N
N →∞
−→
Z
R3
d3 x |ψ(~x)|2~x.
Bemerkungen:
1. Aus einer Ortsmessung lassen sich auch andere beobachtbare Größen
(Observable) gewinnen. Man kann z.B. den Mittelwert
N
1 Xp
lim
x1 (k)2 + x2 (k)2 + x3 (k)2
N →∞ N
k=1
bestimmen und die entsprechende theoretische Größe
Z
Z
q
3
∗
2
2
2
d x ψ(~x) x1 + x2 + x3 ψ(~x) = d3 x |ψ(~x)|2 |~x|
R3
R3
berechnen. Dieser Ausdruck ist der Erwartungwert für die Observable Ab”
stand des Teilchens vom Ursprung des Koordinatensystems“.
20
KAPITEL 2. ELEMENTARE QUANTENMECHANIK
2. Die Annahme der beliebig scharfen räumlichen Lokalisierbarkeit eines Teilchens ist nur im Rahmen einer nichtrelativistischen Näherung gerechtfertigt. Versucht man nämlich die Bewegungsfreiheit eines Teilchens auf ein
Gebiet einzuschränken, dessen Dimensionen kleiner als die Comptonlänge
~/mc des Teilchens sind, kommen wegen der Unschärferelation Impulse
im relativistischen Bereich in Spiel, was u.a. zur Erzeugung von TeilchenAntiteilchen-Paaren führt. Damit endet die Möglichkeit der theoretischen
Beschreibung durch eine Einteilchentheorie. Eine Quantentheorie, die auch
bei relativistischen Energien Gültigkeit beanspruchen kann, ist daher notwendigerweise eine Mehrteilchentheorie, eine so genannte relativistische
Quantenfeldtheorie.
2.3
Hilbertraum
Als geeigneter mathematischer Rahmen erweist sich der Funktionenraum der
komplexwertigen, quadratintegrablen Funktionen auf R3 :
Z
n
o
3
3
2
L (R ) = ψ : R → C d3 x |ψ(~x)|2 < ∞
R3
Die Wellenfunktionen sind
genau jene Elemente ψ von L2 (R3 ), welche die
R also
3
Normierungsbedingung R3 d x |ψ(~x)|2 = 1 erfüllen.
Man kann zeigen, dass L2 (R3 ) einen Vektorraum über C bildet. Weiters kann
man durch
Z
hϕ|ψi = d3 x ϕ(~x)∗ ψ(~x), ϕ, ψ ∈ L2 (R3 )
R3
ein (komplexes) Skalarprodukt definieren, das die folgenden Eigenschaften besitzt
(a1,2 ∈ C):
(S1) hϕ|a1 ψ1 + a2 ψ2 i = a1 hϕ|ψ1 i + a2 hϕ|ψ2 i
(S2) hϕ|ψi = hψ|ϕi∗
(S3) hψ|ψi ≥ 0, hψ|ψi = 0 ⇔ ψ = 0
Bemerkungen:
1. Aus (S1) und (S2) folgt:
ha1 ϕ1 + a2 ϕ2 |ψi = a∗1 hϕ1 |ψi + a∗2 hϕ2 |ψi
21
2.4. LINEARE OPERATOREN
2. Das Integral ist im Sinn von Lebesgue zu verstehen.
3. Man kann zeigen, dass der so definierte Raum bezüglich der durch das
Skalarprodukt induzierten Norm ||ψ|| = hψ|ψi1/2 vollständig ist (d.h. jede
Cauchyfolge besitzt einen Limes).
4. hψ|ψi = 0 ⇒ ψ = 0 lässt sich dadurch garantieren, dass man Funktionen,
die sich nur auf einer Nullmenge“ (die bei der Integration nichts beiträgt)
”
unterscheiden, identifiziert. (Die Elemente von L2 (R) sind also eigentlich
Äquivalenzklassen von (messbaren) Funktionen.)
L2 (R3 ) ist ein Beispiel für einen Hilbertraum, darunter versteht man einen
(i.A. unendlichdimensionalen) Vektorraum (über C) mit einem Skalarprodukt,
der bezüglich der durch ||ψ|| = hψ|ψi1/2 definierten Norm vollständig ist.
Ein weiteres Beispiel für einen in der Quantenmechanik oft verwendeten Hilbertraum ist
Z+∞
n
o
2
L (R) = ψ : R → C dx |ψ(x)| < ∞ ,
2
−∞
Z+∞
hϕ|ψi =
dx ϕ(x)∗ ψ(x),
−∞
der bei der Beschreibung eines Teilchens in einer Raumdimension zum Einsatz
kommt.
Die aus der linearen Algebra bekannten unitären Vektorräume sind Beispiele für
endlichdimensionale Hilberträume.
2.4
Lineare Operatoren
H sei ein Hibertraum. Unter einem linearen Operator A : H → H versteht
man eine Vorschrift, die jedem Element ψ ∈ H wieder ein Element Aψ ∈ H
zuordnet, mit der Eigenschaft
A(c1 ψ1 + c2 ψ2 ) = c1 Aψ1 + c2 Aψ2
∀ ψ1,2 ∈ H, ∀ c1,2 ∈ C.
Mit Hilfe des Skalarprodukts kann man den zu A adjungierten Operator A†
einführen:
hϕ|A† ψi = hAϕ|ψi ∀ ϕ, ψ ∈ H.
Es gelten die folgenden Rechenregeln (A, B sind lineare Operatoren, a, b ∈ C):
(aA + bB)† = a∗ A† + b∗ B † , (AB)† = B † A† , (A† )† = A.
22
KAPITEL 2. ELEMENTARE QUANTENMECHANIK
Ein linearer Operator A heißt hermitesch, falls A† = A erfüllt ist. Jede beobachtbare Größe (Observable) wird in der Quantenmechanik durch einen hermiteschen Operator dargestellt.
Beispiel: Auf H = L2 (R) wird durch die Vorschrift
(CI ψ)(x) = cI (x)ψ(x),
ψ ∈ L2 (R), I ⊂ R
ein hermitescher Operator definiert. (Überprüfen Sie diese Behauptung!) Ein etwas allgemeineres Beispiel für einen hermiteschen Operator auf L2 (R) ist durch
die Vorschrift
(F ψ)(x) = f (x)ψ(x)
gegeben, wobei f (x) eine reellwertige Funktion mit f (x)ψ(x) ∈ L2 (R) ∀ ψ ∈
L2 (R).
Einen vom Nullvektor verschiedenen Vektor φ ∈ H mit der Eigenschaft
Aφ = aφ
bezeichnet man als Eigenvektor des linearen Operators A, a ∈ C ist der dazugehörige Eigenwert
Aufgabe: Zeigen Sie, dass die Eigenwerte eines hermiteschen Operators reell
sind.
In der Quantenmechanik sind die Eigenwerte eines hermiteschen Operators A die
möglichen Messwerte der dazugehörigen Observablen. So repräsentiert z.B.
der Operator CI das Ja/Nein-Experiment Befindet sich das Teilchen im Intervall
”
I?“. Wie wir bereits wissen, besteht das Spektrum von CI nur aus den Werten
{0, 1}.
Bemerkung: Einen Operator Π mit den Eigenschaften
Π† = Π, Π2 = Π
nennt man (orthogonalen) Projektor oder Projektionsoperator. Ein Projektionsoperator kann nur die Eigenwerte 0 oder 1 besitzen, in der Quantenmechanik
kann er stets mit einer Ja/Nein-Messung in Verbindung gebracht werden.
Besitzt ein hermitescher Operator zwei verschiedene Eigenwerte a1 6= a2 mit
dazugehörigen Eigenvektoren φ1 und φ2 , so gilt hφ1 |φ2 i = 0, d.h. die beiden
Eigenvektoren stehen aufeinander orthogonal. (Beweisen Sie diese Behauptung!)
Beispiel: Projektionsoperator CI
CI φ1 = φ1
φ1 ist eine Eigenfunktion zum Eigenwert 1
CI φ2 = 0
φ2 ist eine Eigenfunktion zum Eigenwert 0
23
2.4. LINEARE OPERATOREN
φ1
φ2
-
a
I
R
b
Abbildung 2.1: Zwei Beispiele für Eigenfunktionen des Projektionsoperators CI .
hφ1 |φ2 i =
+∞
R
dx φ1 (x)∗ φ2 (x) = 0
√
−∞
Besitzt ein hermitescher Operator A = A† mehrere linear unabhängige Eigenvektoren zum gleichen Eigenwert a (im Fall von CI sind es sogar unendlich viele), so kann dennoch ein Orthonormalsystem von Eigenvektoren gewählt werden
(d.h., man wählt eine Orthonormalbasis für den Eigenraum von a).
Allgemein gilt für einen hermiteschen Operator A mit rein diskretem Spektrum
der folgende Spektralsatz: Es gibt ein vollständiges Orthonormalsystem
(VONS) {φ1 , φ2 , . . .} von Eigenvektoren, Aφn = an φn .
Orthonormalsystem (ONS) bedeutet: hφm |φn i = δmn
Vollständigkeit bedeutet, dass man jeden Vektor ψ ∈ H als Linearkombination
der Basisvektoren {φ1 , φ2 , . . .} schreiben kann:
X
φn cn , cn ∈ C.
ψ=
n
Bemerkungen:
1. In einem unendlichdimensionalen Hilbertraum ist die Konvergenz der Summe im Sinne der durch das Skalarprodukt induzierten Norm zu verstehen.
2. Wir beschäftigen uns ausschließlich mit separablen Hilberträumen, welche
ein abzählbares VONS besitzen.
Aufgabe: Zeigen Sie, dass cn = hφn |ψi ist.
Für H = L2 (R) hat man
ψ(x) =
X
n
φn (x)hφn |ψi =
X
n
Z+∞
Z+∞ X
φn (x) dy φn (y)∗ψ(y) = dy
φn (x)φn (y)∗ ψ(y),
−∞
−∞
n
24
KAPITEL 2. ELEMENTARE QUANTENMECHANIK
das heißt, man kann die Vollständigkeitsrelation in der Form
X
φn (x)φn (y)∗ = δ(x − y)
n
schreiben.
2.5
Skalarprodukt und Erwartungswert
Ein physikalisches System befinde sich in einem reinen Zustand, der durch den
Zustandsvektor ψ beschrieben wird. Der hermitesche Operator A repräsentiere
eine bestimmte Observable mit dem VONS von Eigenvektoren φ1 , φ2 , . . . und
Eigenwerten a1 , a2 , . . .. Man kann ψ nach diesem VONS entwickeln,
X
ψ=
φn hφn |ψi.
n
Kommt der Eigenwert an nur einmal vor, dann ist |hφn |ψi|2 die Wahrscheinlichkeit, bei einer Messung der Observablen A den Messwert an zu erhalten.
hφn |ψi wird als dazugehörige Wahrscheinlichkeitsamplitude bezeichnet.
Man kann den durch den Vektor ψ beschriebenen Zustand auch durch die Angabe
aller Wahrscheinlichkeitsamplituden hφn |ψi vollständig charakterisieren.2
Die Relation
X
n
|hφn |ψi|2 = hψ|ψi = 1
bedeutet einfach, dass die Wahrscheinlichkeit irgendeinen der möglichen
Messwerte a1 , a2 , . . . zu messen gleich 1 ist.
Kommt ein bestimmter Eigenwert in der Folge a1 , a2 , . . . mehrmals vor, z.B.
a1 = a2 =: a, so ist die Wahrscheinlichkeit bei einer Messung der Observablen A
den Messwert a zu erhalten durch
|hφ1|ψi|2 + |hφ2 |ψi|2
gegeben.
Der Erwartungswert einer Observablen A (mit rein diskretem Spektrum) in
dem durch den normierten Vektor ψ ∈ H beschriebenen reinen Zustand ist durch
X
X
X
X
an |hφn |ψi|2 =
an hψ|φn ihφn |ψi =
hψ|φn ihan φn |ψi =
hψ|φn ihAφn |ψi
n
n
=
X
n
2
n
n
X
hψ|φn ihφn |Aψi = ψ|
φn hφn |Aψi = hψ|Aψi
|n
{z
Aψ
}
Darauf beruht der Zusammenhang zwischen der Schrödingerschen Wellenmechanik und der
Heisenbergschen Matrizenmechanik.
2.5. SKALARPRODUKT UND ERWARTUNGSWERT
25
gegeben.
Besitzt der betrachtete Operator ein kontinuierliches Spektrum, müssen die
oben angegebenen Formeln etwas modifiziert werden. Ich diskutiere hier als Beispiel den Ortsoperator ψ(x) → xψ(x) für ein Teilchen in einer Raumdimension.
Die Eigenfunktionen (Eigendistributionen) sind in diesem Fall
φy (x) = δ(x − y)
und für die Eigenwerte y sind alle reellen Zahlen möglich. Die Eigenfunktionen
φy (x) sind zwar nicht auf 1 normierbar, sie sind jedoch orthogonal in dem Sinn,
dass
Z+∞
Z+∞
∗
dx δ(x − y)δ(x − y ′ ) = δ(y − y ′)
dx φy (x) φy′ (x) =
hφy |φy′ i =
−∞
−∞
Das System der Ortseigenfunktionen φy (x) ist in dem Sinn vollständig, dass sich
jede normierbare Funktion ψ(x) als Linearkombination der Ortseigenfunktionen
schreiben lässt,
Z+∞
Z+∞
dy φy (x)ψ(y),
dy δ(x − y)ψ(y) =
ψ(x) =
−∞
−∞
wobei
Z+∞
Z+∞
ψ(y) = hφy |ψi =
dx φy (x)∗ ψ(x) =
dx δ(x − y)ψ(x).
−∞
−∞
Bemerkung: Statt hφx |ψi schreibt man üblicherweise kurz hx|ψi, d.h.
hx|ψi ≡ ψ(x).
Da |hx|ψi|2dx = |ψ(x)|2 dx die Wahrscheinlichkeit ist, das Teilchen im Intervall
[x, x + dx] vorzufinden, kann man die Wellenfunktion ψ(x) als Wahrscheinlichkeitsamplitude dafür ansehen, das Teilchen am Ort x zu finden. Dementsprechend erhält man für den Erwartungswert des Ortsoperators die bekannte
Formel:
Z∞
Z∞
2
dx x|hx|ψi| =
dx ψ(x)∗ xψ(x).
−∞
−∞
26
2.6
KAPITEL 2. ELEMENTARE QUANTENMECHANIK
Ortsoperator
Der durch (Xψ)(x) = xψ(x) definierte Ortsoperator X ist ein Beispiel für einen
unbeschränkten Operator. Ist nämlich ψ(x) ∈ L2 (R), dann ist xψ(x) nicht
notwendigerweise in L2 (R). Ein Beispiel für eine derartige Funktion wäre
ψ(x) =
denn
Z∞
2
dx |ψ(x)| =
Z∞
dx
a > 0,
1
π
=
< ∞,
x2 + a2
a
−∞
−∞
aber
1
,
x + ia
Z∞
dx |xψ(x)|2 =
−∞
Z∞
dx
x2
x2 + a2
−∞
ist divergent. Das heißt, der Ortsoperator kann nicht auf dem ganzen Hilbertraum L2 (R) definiert werden, sondern nur auf dem Definitionsbereich
D(X) = ϕ(x) ∈ L2 (R)xϕ(x) ∈ L2 (R) .
D(X) ist dicht in L2 (R), d.h. ∀ ψ ∈ L2 (R) und ∀ ε > 0 ∃ ϕ ∈ D(X) mit
||ψ − ϕ|| < ε.
Definition: Ein linearer Operator A : H → H heißt beschränkt, falls eine Konstante C ≥ 0 existiert, sodass ||Aϕ|| ≤ C||ϕ|| ∀ ϕ ∈ H. Das ist gleichbedeutend
damit, dass
||A|| = sup ||Aϕ|| < ∞.
||ϕ||=1
(||A|| wird als Operatornorm von A bezeichnet.)
Alle Operatoren in endlichdimensionalen Hilberträumen (unitären Vektorräumen) sind beschränkt. Ebenso ist der früher besprochene Multiplikationsoperator
CI beschränkt.
Der Ortsoperator X ist klarerweise unbeschränkt. Man betrachte z.B. die Funktionenfolge ϕn (x) = c[n,n+1] (x), n ∈ N. Dann gilt ||ϕn || = 1, ϕn ∈ D(X) und
n+1
Z
1
||Xϕn || =
dx x2 = n2 + n + −→ ∞.
3 n→∞
2
n
Hat man es ganz allgemein mit einem unbeschränkten Operator A zu tun, der
daher nicht auf ganz H definiert sein kann (D(A) ⊂ H, D(A) dicht in H), so
wird der dazu adjungierte Operator A† folgendermaßen definiert:
D(A† ) = ϕ ∈ H|hϕ|Aψi = hχψi ∀ ψ ∈ D(A), χ ∈ H .
27
2.6. ORTSOPERATOR
Da D(A) dicht in H vorausgesetzt ist, ist χ = A† ϕ eindeutig festgelegt. Es gibt
genau dann ein χ mit der obigen Eigenschaft, falls |hϕ|Aψi| ≤ C||ψ|| ∀ ψ ∈ D(A).
A heißt selbstadjungiert, falls D(A† ) = D(A) und A = A† .
A heißt hermitesch, falls D(A) ⊆ D(A† ) und A = A† auf D(A).
Ist A beschränkt, so ist D(A) = H = D(A† ) und die beiden Begriffe fallen
zusammen.
Wir haben bereits bemerkt, dass X keine Eigenvektoren besitzt, da die Eigenwertgleichung xφ(x) = yφ(x) nur die Lösungen“ φ(x) ∼ δ(x − y) besitzt, welche
”
aber keine Elemente von L2 (R) sind. Der Grund dafür ist bekanntlich, dass der
Ortsoperator ein rein kontinuierliches Spektrum besitzt.
Eine mathematisch präzise Definition des Spektrums eines linearen Operators
A erhält man, indem man die Resolvente des Operators A,
RA (z) =
1
,
z−A
z ∈ C,
betrachtet. Das Spektrum von A besteht dann aus allen z ∈ C, für die RA (z)
kein beschränkter Operator ist.
Ist φ ∈ H ein Eigenvektor von A mit Eigenwert a, so ist der Operator a − A nicht
invertierbar und RA (a) existiert nicht, d.h. a gehört zum Spektrum von A.
Wir wenden jetzt diese Definition des Spektrums auf den Ortsoperator X an:
1
ϕ(x),
z−x
Z+∞ 1 2
|ϕ(x)|2
=
dx z − x
(RX (z)ϕ)(x) =
||RX (z)ϕ||2
−∞
Z+∞
dx
=
−∞
|ϕ(x)|2
(Rez − x)2 + (Imz)2
1
≤
(Imz)2
Z+∞
dx |ϕ(x)|2 .
−∞
|
{z
||ϕ||2
}
Die Resolvente RX (z) ist beschränkt, falls Imz 6= 0, daher besteht das Spektrum
aus allen Zahlen z ∈ C mit Imz = 0 ⇒ das Spektrum des Ortsoperators ist ganz
R.
Literatur: Walter Thirring, Lehrbuch der Mathematischen Physik, Band 3:
Quantenmechanik von Atomen und Molekülen, Springer, Wien, New York, 1994
28
2.7
KAPITEL 2. ELEMENTARE QUANTENMECHANIK
Impuls
Wie aus T1 bekannt ist, besteht ein Zusammenhang zwischen den räumlichen
Verschiebungen und dem Impuls eines physikalischen Systems.
Wir betrachten daher die Verschiebung einer Wellenfunktion ψ(x) um die Strecke
a, die durch den Translationsoperator
(Ta ψ)(x) = ψ(x − a)
bewirkt wird.
Bemerkungen: Der Operator Ta besitzt die folgenden Eigenschaften:
Ta Tb = Ta+b ,
To = 1,
Ta† = T−a ,
Ta Ta† = Ta† Ta = 1.
Einen Operator U mit der Eigenschaft UU † = U † U = 1 bezeichnet man als
unitären Operator. Sein Spektrum ist eine Teilmenge des Einheitskreises in
der komplexen Zahlenebene.
Für infinitesimales a erhält man
ψ(x − a) ≃ ψ(x) − a
d
ia ~ d
ψ(x) = ψ(x) −
ψ(x).
dx
~ i dx
Den hermiteschen Operator
~ d
i dx
bezeichnet man als Impulsoperator (der Zusammenhang mit dem üblichen“
”
Impuls wird im klassischen Limes ~ → 0 klar werden).
P =
Aufgabe: Überzeugen Sie sich davon, dass der Impulsoperator tatsächlich hermitesch ist. Es ist also zu zeigen, dass
∗
Z+∞
Z+∞ ~ d
∗~ d
dx ϕ(x)
ψ(x) =
dx
ϕ(x) ψ(x)
i dx
i dx
−∞
−∞
erfüllt ist. Dabei können Sie annehmen, dass die Funktionen ϕ und ψ im Unendlichen verschwinden.
Um die Eigenfunktionen des Impulsoperators zu bestimmen, betrachten wir
die Eigenwertgleichung
~ d
f (x) = pf (x),
i dx
welche die Lösungen
1
eipx/~
fp (x) = √
2π~
29
2.7. IMPULS
besitzt. Für den Impulseigenwert p kommen alle reellen Zahlen in Betracht,
das Spektrum ist also (wie beim Ortsoperator) kontinuierlich, daher sind die
Impulseigenfunktionen fp (x) nicht normierbar, sie erfüllen aber die Orthogonalitätsrelation
Z+∞
Z+∞
dx −ipx/~ ip′ x/~
e
e
= δ(p − p′ ).
dx fp (x)∗ fp′ (x) =
hfp |fp′ i =
2π~
−∞
−∞
√
(Das erklärt die Wahl des seltsamen Normierungsfaktors 1/ 2π~.)
Analog zu den Eigenfunktionen des Ortsoperators sind die Impulseigenfunktionen
Grenzfälle von Wellenfunktionen mit immer schärferem Impuls. Wieder kann jede
Wellenfunktion ψ(x) (hψ|ψi = 1) als Superposition von Impulseigenfunktionen
geschrieben werden:
Z+∞
Z+∞
eipx/~
dp √
dp fp (x)ψ̃(p) =
ψ(x) =
ψ̃(p).
2π~
−∞
−∞
Wegen hfp |fp′ i = δ(p − p′ ) ist
Z+∞
e−ipx/~
ψ̃(p) = hfp |ψi =
dx √
ψ(x).
2π~
−∞
|ψ̃(p)|2 dp = |hfp |ψi|2dp ist die Wahrscheinlichkeit, bei einer Impulsmessung
einen Messwert im Impulsintervall [ p, p + dp] zu erhalten, wenn der durch die
Wellenfunktion ψ(x) beschriebene Zustand präpariert wurde. Üblicherweise wird
statt hfp |ψi kurz hp|ψi geschrieben. hp|ψi ist die Wahrscheinlichkeitsamplitude, bei einer Impulsmessung den Messwert p zu erhalten. ψ̃(p) = hp|ψi wird auch
Impulsraumwellenfunktion genannt, sie enthält dieselbe Information wie die
Ortsraumwellenfunktion ψ(x) = hx|ψi.
Zusammenfassung des Zusammenhangs zwischen Orts- und Impulsdarstellung:
Z+∞
ψ(x) = hx|ψi =
dp hx|pi hp|ψi,
| {z } | {z }
−∞
ipx/~
e√
2π~
ψ̃(p)
Z+∞
ψ̃(p) = hp|ψi =
dx hp|xi hx|ψi,
| {z } | {z }
−∞
e−ipx/~
√
2π~
ψ(x)
30
KAPITEL 2. ELEMENTARE QUANTENMECHANIK
Beobachtung:
+∞
R
dx|xihx| =
−∞
+∞
R
−∞
dp|pihp| = 1.
Es ist egal, ob man ein Skalarprodukt in der Orts- oder der Impulsdarstellung
berechnet,
Z+∞
Z+∞
dp hϕ|pi hp|ψi .
hϕ|ψi =
dx hϕ|xi hx|ψi =
| {z } | {z }
| {z } | {z }
−∞
ϕ(x)∗
ψ(x)
−∞
ϕ̃(p)∗
ψ̃(p)
Aufgabe: Zeigen Sie, dass der Impulsoperator in der Impulsdarstellung durch die
Multiplikationsvorschrift ψ̃(p) → pψ̃(p) gegeben ist, während der Ortsoperator
d
jetzt durch den Differentialoperator i~ dp
dargestellt wird.
Orts- und Impulsoperator kommutieren nicht miteinander, denn
~ d
~ d
~
~
~
x
−
x ψ(x) = x ψ ′ (x) − ψ(x) − x ψ ′ (x) = i~ψ(x).
i dx
i dx
i
i
i
In der Impulsdarstellung erhält man das gleiche Ergebnis:
d
d
ψ̃(p) = i~ψ̃(p) + i~pψ̃ ′ (p) − i~pψ̃ ′ (p) = i~ψ̃(p).
i~ p − p i~
dp
dp
Unabhängig von der gewählten Darstellung erhält man die fundamentale Vertauschungsrelation
[X, P ] = XP − P X = i~1
| {z }
Kommutator
zwischen Orts- und Impulsoperator.
Die Verallgemeinerung der obigen Formeln auf den Fall von drei Raumdimen-
31
2.8. DIRACSCHREIBWEISE
sionen ist offensichtlich:
~ x) = ψ(~x) −
ψ(~x − ~a) ≃ ψ(~x) − ~a · ∇ψ(~
i~a ~ ~
· ∇ψ(x),
~ i
~
P~ = −i~∇,
~ p~ (~x) = p~fp~(~x),
−i~∇f
ei~p·~x/~
,
(2π~)3/2
hfp~ |fp~ ′ i = h~p |~p ′ i = δ (3) (~p − ~p ′ ),
Z
ψ(~x) = h~x|ψi = d3 p h~x|~p i h~p |ψi,
| {z } | {z }
fp~ (~x) = h~x|~p i =
p·~
x/~
ei~
(2π~)3/2
ψ̃(~p ) = h~p |ψi =
Z
[Xk , Pl ] = i~δkl 1.
2.8
ψ̃(~
p)
d3 x h~p |~xi h~x|ψi,
| {z } | {z }
p·~
x/~
e−i~
(2π~)3/2
ψ(~
x)
Diracschreibweise
Wir haben gesehen, dass die Ortsraumwellenfunktion ψ(x), die Impulsraumwellenfunktion ψ̃(p) oder die Folge von Skalarprodukten hφ1 |ψi, hφ2|ψi, . . . bezüglich
eines beliebigen VONS φ1 , φ2 , . . . jeweils dieselbe Information über den betrachteten Zustand enthalten.
P.A.M. Dirac folgend spricht man daher von dem abstrakten“ Zustandsvektor
”
( ket-Vektor“) |ψi ∈ H (ohne Bezug auf eine bestimmte Darstellung“). Das
”
”
Skalarprodukt hϕ|ψi (bracket) interpretiert man dann als Multiplikation des bra”
Vektors“ hϕ| (Element des Dualraums von H) mit dem ket-Vektor |ψi.
Die Skalarprodukte hφn |ψi sind die Komponenten des Vektors |ψi bezüglich des
VONS |φ1 i, |φ2i, . . .. Oft schreibt man statt |φn i kurz |ni. Die Zerlegung des
Vektors |ψi bezüglich des VONS lautet dann
|ψi =
X
n
|nihn|ψi
und die Orthogonalitäts- und Vollständigkeitsrelation haben in dieser Schreibweise die Form
X
hm|ni = δmn ,
|nihn| = 1.
n
32
KAPITEL 2. ELEMENTARE QUANTENMECHANIK
Sind die Vektoren des VONS |φ1 i, |φ2i, . . . Eigenvektoren eines Operators A mit
dazugehörigen Eigenwerten a1 , a2 , . . ., so lautet die Spektraldarstellung des
Operators
X
A=
an |nihn|.
n
Funktionen von A kann man dann leicht durch
X
f (A) =
f (an )|nihn|
n
angeben.
Im obigen Sinn kann man die Ortsraumwellenfunktion ψ(x) als Projektion des
Zustandvektors |ψi auf die kontinuierliche Basis“ der Eigenfunktionale |xi des
”
Ortsoperators X interpretieren:
X|xi = x|xi,
X =
hx|yi = δ(x − y),
Z+∞
−∞
Z+∞
dx |xihx| = 1,
dx x |xihx|,
−∞
Z+∞
f (X) =
−∞
dx f (x) |xihx|.
Analog interpretiert man die Impulsraumwellenfunktion ψ̃(p) als Projektion des
Zustandvektors |ψi auf die kontinuierliche Basis“ der Eigenfunktionale |pi des
”
Impulsoperators P :
P |pi = p|pi,
Z+∞
dp |pihp| = 1,
hp|p′i = δ(p − p′ ),
−∞
P =
Z+∞
dx p |pihp|,
−∞
Z+∞
dp f (p) |pihp|.
f (P ) =
−∞
Der Zusammenhang zwischen Orts- und Impulsdarstellung wird durch die Formel
eipx/~
hx|pi = √
2π~
hergestellt.
Aufgabe: Verallgemeinern Sie die Diskussion der Orts- und Impulsdarstellung
im Diracformalismus auf den Fall von drei Raumdimensionen.
33
2.9. UNSCHÄRFERELATION
2.9
Unschärferelation
Gegeben sei ein Zustandsvektor |ψi. Der Erwartungswert hψ|Aψi einer Observablen A in diesem Zustand werde mit hAi bezeichnet. Unter dem Schwankungsquadrat (∆A)2 von A im Zustand |ψi versteht man den Erwartungswert des
Operators (A − hAi)2 , d.h.
(∆A)2 = h(A − hAi)2 i = hA2 i − hAi2
⇒ ∆A =
p
p
h(A − hAi)2 i =
hA2 i − hAi2 .
Für einen beliebigen (nicht notwendigerweise hermiteschen) Operator C gilt:
hC † Ci = hψ|C † Cψi = hCψ|Cψi ≥ 0.
Für zwei beliebige hermitesche Operatoren A, B sei der Operator C durch
C=
A − hAi
B − hBi
+i
.
∆A
∆B
definiert. Für diese Wahl von C erhält man
*
† +
A
−
hAi
B
−
hBi
B
−
hBi
A
−
hAi
+i
+i
hC † Ci =
∆A
∆B
∆A
∆B
=
A − hAi
B − hBi
−i
∆A
∆B
A − hAi
B − hBi
+i
∆A
∆B
i
(∆A)2 (∆B)2
+
+
hAB − BAi
=
2
2
(∆A)
(∆B)
∆A∆B
= 2+
i
hAB − BAi ≥ 0.
∆A∆B
Man erhält also die Ungleichung
i
∆A∆B ≥ − h[A, B]i
2
und nach Vertauschen von C und C † die Ungleichung
i
∆A∆B ≥ + h[A, B]i.
2
Somit ergibt sich die allgemeine Form der Unschärferelation:
∆A∆B ≥
1
|hi[A, B]i| .
2
34
KAPITEL 2. ELEMENTARE QUANTENMECHANIK
Für den Spezialfall A = X und B = P ist der Kommutator durch [X, P ] = i~1
gegeben und man erhält die Unschärferelation für Ort und Impuls:
~
.
2
∆X∆P ≥
Die folgende experimentelle Überprüfung der Unschärferelation für Ort und Impuls ist (theoretisch) denkbar:
• Präparation von N Kopien des Systems im Zustand |ψi
• Durchführung einer Ortsmessung mit Messwerten x(1), x(2), . . . , x(N)
• Berechnung des Mittelwerts x̄ =
• Berechnung von x2 =
1
N
N
P
1
N
N
P
x(k)
k=1
x(k)2
k=1
• Daraus erhält man (x − x̄)2 = x2 − x̄2 −→ (∆X)2
N →∞
• Präparation von N weiteren Kopien des Systems im Zustand |ψi
• Durchführung einer Impulsmessung mit Messwerten p(1), p(2), . . . , p(N)
• Berechnung von p̄ =
1
N
• Berechnung von p2 =
N
P
p(k)
k=1
1
N
N
P
p(k)2
k=1
• Daraus erhält man (p − p̄)2 = p2 − p̄2 −→ (∆P )2
N →∞
• Kombination der Ergebnisse beider Messreihen liefert das Produkt
q
q
(x − x̄)2 (p − p̄)2 −→ ∆X∆P
N →∞
Bemerkungen:
1. Die Unschärferelation ist eine direkte Folge der Beschreibung des Zustands
eines Teilchens durch eine Wellenfunktion. Sie folgt direkt aus den Postulaten der Quantenmechanik und ist keine aufgepfropfte Zusatzbedingung.
Die Formulierung dass man nicht genauer messen kann“ ist falsch, rich”
tig ist, dass man keinen Zustand mit ∆X∆P < ~/2 präparieren kann:
Es gibt keinen Zustand mit ∆X∆P < ~/2! Insbesondere gibt es keine theoretische Einschränkung an die Messgenauigkeit einer Orts- oder
Impulsmessung (aber natürlich praktische Grenzen).
35
2.10. ZEITENTWICKLUNG
2. Unsere Herleitung der Unschärferelation hat nichts mit der Hintereinanderausführung von Orts- und Impulsmessung an ein und dem selben Teilchen
zu tun (das wäre eine alternative Variante, bei der die Zustandsreduktion
zu berücksichtigen ist).
3. Die Unschärferelation ist i.A. weniger von experimentellem, sondern von
theoretischem Interesse (erklärt Grundzustandsenergie des harmonischen
Oszillators, Stabilität des H-Atoms, etc.).
Wir wollen jetzt jene Zustände finden, für die das Produkt aus Orts- und Impulsunschärfe den minimalen Wert ∆X∆P = ~/2 annimmt. Das Gleichheitszeichen
entspricht
hCψ|Cψi = 0 ⇒ C|ψi = 0,
C=
X − x0
P − p0
+i
,
σ
~/2σ
wobei der Ortsmittelwert mit x0 , der Impulsmittelwert mit p0 , die Ortsschwankung mit σ und dementsprechend die Impulsunschärfe mit ~/2σ bezeichnet wurde. In der Ortsdarstellung entspricht C|ψi = 0 der Differentialgleichung
x − x0 2iσ ~ d
+
− p0 ψ(x) = 0,
σ
~
i dx
als deren Lösung man
2 /4σ 2
ψ(x) = N e−(x−x0 )
eip0 x/~
erhält.
Bemerkung: Die Gleichung C † |ψi = 0 ergibt keine normierbare Lösung.
2.10
Zeitentwicklung
Wir haben bis jetzt Wellenfunktionen zu einem fixen Zeitpunkt betrachtet.
Gemäß den de Broglie-Beziehungen ~p = ~~k, E(~p ) = p~ 2 /2m = ~ω wird die
Zeitentwicklung eines freien Teilchens mit scharfem Impuls p~ durch die ebene
Welle
p
~2
ei~p·~x/~ e−i 2m t/~
beschrieben. Wir beschränken uns (zunächst) wieder auf den Fall der eindimensionalen Bewegung. Die de Broglie-Welle
p2
eipx/~ e−i 2m t/~
36
KAPITEL 2. ELEMENTARE QUANTENMECHANIK
entspricht der Zeitentwicklung des (nicht normierbaren) Grenzfalls eines Zustands
mit scharfem Impuls p. Die Zeitentwicklung von normierbaren Wellenfunktionen (also tatsächlichen Zuständen) lässt sich als Superposition von de BroglieWellen schreiben:
Z+∞
eipx/~ −i p2 t/~
dp √
ψ(x, t) =
e 2m ψ̃(p) .
{z
}
2π~ |
−∞
ψ̃(p,t)
p2
ψ̃(p, t) = e−i 2m t/~ ψ̃(p) ist die Impulsraumwellenfunktion zum Zeitpunkt t.
Für ein freies Teilchen ist die Impulsverteilung |ψ̃(p, t)|2 = |ψ̃(p)|2 zeitunabhängig. ψ̃(p, t) erfüllt die Schrödingergleichung
i~
∂ ψ̃(p, t)
p2
ψ̃(p, t).
=
∂t
2m
Für die Ortswellenfunktion lautet die Schrödingergleichung
(−i~∂/∂x) 2
∂ψ(x, t)
=
ψ(x, t).
i~
∂t
2m
Jener hermitesche Operator, welcher der Observablen Energie des Teilchens“
”
entspricht, wird als (Hamiltonoperator) bezeichnet. Für ein freies Teilchen
enthält er nur die kinetische Energie,
H=
P2
,
2m
im Impulsraum wird er als Multiplikationsoperator
p2
2m
und im Ortsraum als Differentialoperator
−
~2 ∂ 2
2m ∂x2
dargestellt.
Unabhängig von der gewählten Darstellung ist die Zeitentwicklung eines
Zustandsvektors eines freien Teilchens durch die (zeitabhängige) Schrödingergleichung
d
P2
i~ |ψ(t)i = H|ψ(t)i, H =
dt
2m
bestimmt, ihre Lösung ist
|ψ(t)i = e−iHt/~ |ψ(0)i.
37
2.10. ZEITENTWICKLUNG
Befindet sich das System zum Zeitpunkt t = 0 im Anfangszustand |ψ(0)i, so wird
es zum Zeitpunkt t im Zustand |ψ(t)i vorgefunden, wenn die Zeitentwicklung
ohne äußere Störung (also insbesondere ohne zwischenzeitliche Messung einer
Observablen des Systems) erfolgt.
Will man von der abstrakten Form wieder zur Ortsdarstellung zurückkehren,
bildet man das Skalarprodukt
hx|ψ(t)i = hx|e−iHt/~ |ψ(0)i
und fügt zwischen Zeitentwicklungsoperator und Anfangszustand den Einheitsoperator in der Form
Z+∞
1 = dp |pihp|
−∞
ein:
Z+∞
dp hx|e−iHt/~ |pihp|ψ(0)i.
hx|ψ(t)i =
−∞
2
Wegen H = P /2m ist |pi auch ein Eigenvektor des Hamiltonoperators,
p2
P2
p2
|pi =
|pi ⇒ e−iHt/~ |pi = e−i 2m t/~ |pi
2m
2m
und man erhält somit wieder die oben angegebene Formel:
Z+∞
p2
dp hx|pi e−i 2m t/~ hp|ψ(0)i .
hx|ψ(t)i =
| {z }
| {z }
| {z }
H|pi =
ψ(x,t)
−∞
ipx/~
e√
2π~
ψ̃(p,t=0)
Beispiel: Zeitentwicklung eines Zustands, der zum Zeitpunkt t = 0 durch das
Gaußsche Wellenpaket
1
2
2
ψ(x, t = 0) =
e−x /4σ eip0 x/~
1/4
1/2
(2π) σ
beschrieben wird. Die dazugehörige Wellenfunktion im Impulsraum hat die Form
2
ψ̃(p, t = 0) =
2
e−(p−p0 ) /4(∆p)
,
(2π)1/4 (∆p)1/2
∆p = ~/2σ.
Z+∞
eipx/~ −i p2 t/~
e 2m ψ̃(p, t = 0)
⇒ ψ(x, t) =
dp √
2π~
−∞
Z+∞
2
2
eipx/~ −i p2 t/~ e−(p−p0 ) /4(∆p)
2m
.
e
=
dp √
(2π)1/4 (∆p)1/2
2π~ |
{z
}
−∞
ψ̃(p,t)
38
KAPITEL 2. ELEMENTARE QUANTENMECHANIK
Die Berechnung dieses Gaußschen Integrals ergibt das Resultat
ip20 t
(x−p0 t/m)2
exp − 4(σ
exp ip~0 x
exp − 2m~
2 +i~t/2m)
ψ(x, t) =
.
(2π)1/4 (σ + i∆p t/m)1/2
Daraus erhält man als Wahrscheinlichkeitsdichte die Gaußverteilung
(x−p0 t/m)2
exp − 2[σ2 +(∆p t/m)2 ]
,
|ψ(x, t)|2 =
(2π)1/2 [σ 2 + (∆p t/m)2 ]1/2
deren Maximum sich längs x = p0 t/m mit der Geschwindigkeit
p0 /m bewegt3
p
σ 2 + (∆p t/m)2 gegeben ist
und deren zeitabhängige Breite durch ∆x(t) =
( Zerfließen“ des Wellenpakets).
”
Bewegt sich das Teilchen unter dem Einfluss einer äußeren Kraft −∂V (x)/∂x,
so hat der Hamiltonoperator die Gestalt
H=
P2
+ V (X) ,
| {z }
2m
pot. Energie
wobei die Zeitentwicklung wieder durch die (zeitabhängige) Schrödingergleichung
bestimmt ist:
P2
d
+ V (X).
i~ |ψ(t)i = H|ψ(t)i, H =
dt
2m
In der x-Darstellung lautet die Schrödingergleichung jetzt
i~
∂ψ(x, t)
~2 ∂ 2 ψ(x, t)
=−
+ V (x)ψ(x, t).
∂t
2m ∂x2
Aufgabe: Welche Form hat die Schrödingergleichung in der p-Darstellung?
Um die formale Lösung
|ψ(t)i = e−iHt/~ |ψ(0)i
nutzbringend anwenden zu können, muss man zunächst das Eigenwertproblem
des Hamiltonoperators,4
H|φi = E|φi,
lösen. Wir wollen der Einfachheit halber annehmen, dass H nur diskrete Eigenwerte E0 , E1 , . . . mit einem dazugehörigen VONS von Eigenvektoren |0i, |1i, . . .
besitzt:
X
H|ni = En |ni, hm|ni = δmn ,
|nihn| = 1.
n
3
Das bestätigt unsere Interpretation von −i~∂/∂x als Impulsoperator.
Manchmal wird die Eigenwertgleichung des Hamiltonoperators auch als zeitunabhängige
Schrödingergleichung bezeichnet.
4
39
2.10. ZEITENTWICKLUNG
Die Spektraldarstellungen von H und exp(−iHt/~) lauten daher
X
X
H=
En |nihn|, e−iHt/~ =
e−iEn t/~ |nihn|
n
n
und
|ψ(t)i = e−iHt/~ |ψ(0)i =
X
n
e−iEn t/~ |nihn|ψ(0)i.
Die Wahrscheinlichkeitsdichte
ρ(x, t) = |ψ(x, t)|2
und der Wahrscheinlichkeitsstrom
∂ψ(x, t)∗
~
∗ ∂ψ(x, t)
ψ(x, t)
−
ψ(x, t)
j(x, t) =
2im
∂x
∂x
erfüllen die Kontinuitätsgleichung
∂ρ(x, t) ∂j(x, t)
+
= 0.
∂t
∂x
Aufgabe: Überprüfen Sie diese Behauptung.
Die physikalische Bedeutung der Kontinuitätsgleichung sieht man so:
wI (t) =
Zb
dx ρ(x, t)
a
ist die Wahrscheinlichkeit, das Teilchen zum Zeitpunkt t im Intervall I = [a, b]
anzutreffen. Differenziert man diesen Ausdruck nach der Zeit,
dwI (t)
=
dt
Zb
a
∂ρ(x, t)
dx
=−
∂t
Zb
a
dx
∂j(x, t)
= j(a, t) − j(b, t),
∂x
so sieht man, dass die zeitliche Änderung von wI (t) durch den am Randpunkt
a eintretenden Wahrscheinlichkeitsstrom j(a, t) minus den am Randpunkt b austretenden Wahrscheinlichkeitsstrom j(b, t) gegeben ist.
Im Limes a → −∞, b → +∞ erhält man (die Wellenfunktion verschwindet im
Unendlichen)
Z+∞
d
dx ρ(x, t) = 0,
dt
−∞
40
KAPITEL 2. ELEMENTARE QUANTENMECHANIK
das heißt, die Wahrscheinlichkeit, das Teilchen irgendwo anzutreffen ist zeitunabhängig (nämlich gleich 1).
In drei Raumdimensionen haben wir
H=
P~ 2
~
+ V (X),
2m
die Schrödingergleichung in der Ortsdarstellung lautet
i~
∂ψ(~x, t)
~2
=−
∆ψ(~x, t) + V (~x)ψ(~x, t).
∂t
2m
Die Wahrscheinlichkeitsdichte
ρ(~x, t) = |ψ(~x, t)|2
und die Wahrscheinlichkeitsstromdichte
h
i
~ x, t) − ∇ψ(~
~ x, t)∗ ψ(~x, t)
~j(~x, t) = ~ ψ(~x, t)∗ ∇ψ(~
2im
erfüllen die Kontinuitätsgleichung
∂ρ(~x, t) ~
+ ∇ · j(~x, t) = 0.
∂t
Die Größe
wV (t) =
Z
d3 x ρ(~x, t)
V
ist die Wahrscheinlichkeit, das Teilchen zum Zeitpunkt t im Gebiet V ⊂ R3
anzutreffen. Für ihre zeitliche Änderung erhält man
Z
Z
Z
dwV (t)
x, t)
3 ∂ρ(~
3 ~ ~
= dx
= − d x ∇ · j(~x, t) = − df~ · ~j(~x, t),
dt
∂t
V
V
∂V
wobei im letzten Schritt der Integralsatz von Gauß verwendet wurde. Die Gleichung besagt, dass die zeitliche Änderung der Aufenthaltswahrscheinlichkeit des
Teilchens im Gebiet V gleich dem durch den Rand von V eintretenden Wahrscheinlichkeitsstrom ist.
Kapitel 3
Eindimensionale Probleme
Die bisher entwickelten Methoden werden auf die Behandlung einfacher quantenmechanischer Probleme in einer Raumdimension angewandt. Die Energie eines
Teilchens, das in einer Schachtel eingesperrt ist, kann nur bestimmte, diskrete
Werte annehmen. Die Heisenbergsche Unschärferelation bestimmt die Grundzustandsenergie des harmonischen Oszillators, sein Eigenwertproblem lässt sich rein
algebraisch untersuchen, kohärente Zustände zeigen quasiklassisches Verhalten.
Das Verhalten eines Teilchens in Anwesenheit einer Potentialstufe dient zur Illustration von Reflexion und Transmission an einem Hindernis. Dass ein Teilchen,
entgegen der klassischen Erwartung, durch einen Potentialwall tunneln kann, erklärt den α-Zerfall von Kernen und findet eine wichtige praktische Anwendung in
der Rastertunnelmikroskopie. Die Bewegung eines Teilchens in einem (anziehenden) Deltapotential liefert ein Beispiel für ein System, in dem sowohl ein Bindungszustand als auch Streuzustände auftreten. Die Anwendung von Feynmanregeln bei Streuproblemen stellt den Zusammenhang mit den bereits besprochenen
Regeln der Addition und Multiplikation von Amplituden her. Das Auftreten von
Bindungszuständen in einem Potentialtopf und der Knotensatz werden qualitativ
diskutiert.
3.1
Unendlich hoher Potentialtopf
Beschränkt man die Bewegungsfreiheit eines Teilchens auf das Intervall [0, L], so
genügen die Wellenfunktionen den Randbedingungen ψ(0) = ψ(L) = 0 und die
Eigenwertgleichung für die Energieeigenfunktionen lautet
~2 d 2
−
φ(x) = Eφ(x),
2m dx2
41
φ(0) = φ(L) = 0.
42
KAPITEL 3. EINDIMENSIONALE PROBLEME
Die Lösungen des Eigenwertproblems sind Funktionen der Form
~2 k 2
.
2m
Lösungen der Form der Form ∼ cos kx sind wegen der Randbedingung bei x = 0
ausgeschlossen. Die zusätzliche Berücksichtigung der Randbedindung bei x = L
führt zu einer Quantisierung der möglichen Werte von k:
φ(x) ∼ sin kx,
sin kL = 0
⇒
E=
kn L = nπ
(n = 1, 2, . . .).
Somit erhält man die Energieeigenfunktionen und Energieeigenwerte
φn (x) ∼ sin
nπ
x,
L
|{z}
En =
~2 n2 π 2
~2 kn2
=
,
2m
2mL2
(n = 1, 2, . . .).
kn
Die Berücksichtigung der Normierungsbedingung
1 = |N |
2
ZL
dx sin2
0
nπ
L
x = |N |2
L
2
liefert schließlich das Endergebnis
r
2
sin kn x,
φn (x) =
L
En
E1
~2 kn2
,
=
2m
1
=
2m
kn =
hφm |φn i =
~π
L
2
nπ
L
ZL
⇒
|N |2 =
2
L
(n = 1, 2, . . .),
dx φm (x)∗ φn (x) = δmn ,
0
, E2 = 4E1 , E3 = 9E1 , . . . .
Jede beliebige Wellenfunktion ψ(x) auf [0, L], welche die Randbedingungen
ψ(0) = ψ(L) = 0 erfüllt, lässt sich als Superposition der Energieeigenfunktionen φn schreiben:
ψ(x) =
∞
X
φn (x)cn ,
n=1
cn = hφn |ψi =
ZL
dx φn (x)∗ ψ(x).
0
Die Zeitentwicklung einer Wellenfunktion ist durch
∞
∞
X
X
−iEn t/~
−iHt/~
φn (x)cn
ψ(x, t) =
e
φn (x)cn = e
n=1
|n=1 {z
ψ(x,t=0)
gegeben.
}
43
3.2. HARMONISCHER OSZILLATOR
3.2
Harmonischer Oszillator
Wir kommen nun zur Behandlung des Eigenwertproblems w des harmonischen
Oszillators,
1 2 mω 2 2
P +
X .
H=
2m
| 2{z }
V (X)
In der klassischen Mechanik ist jener Zustand des harmonischen Oszillators, welcher die kleinst mögliche Energie besitzt, durch x = 0, p = 0 charakterisiert, die
klassische Grundzustandsenergie ist daher gleich Null.
In der Quantenmechanik ist das Energiespektrum zwar sicher ⊆ R+ , weil der
Hamiltonoperator H nicht negativ ist,
1
mω 2
hψ|P 2ψi +
hψ|X 2 ψi
2m
2
1
mω 2
=
hP ψ|P ψi +
hXψ|Xψi ≥ 0,
2m | {z }
2 | {z }
hψ|Hψi =
≥0
≥0
aber die Grundzustandsenergie kann nicht gleich Null sein, da dies im Widerspruch zur Unschärferelation wäre. Ja man kann sogar den tatsächlichen Wert
der Grundzustandsenenergie aus der Unschärferelation erhalten. Wir bezeichnen
die Grundzustandsenergie mit E0 und den dazugehörigen Eigenzustand des Hamiltonoperators mit |φ0i:
H|φ0i = E0 |φ0 i,
hφ0 |φ0i = 1.
E0 ist der kleinste Eigenwert von H (E0 < E1 < . . .). Es ist klar, dass für den
Grundzustand
hXiφ0 = 0, hP iφ0 = 0
gelten musss, wobei die Kurzschreibweise hAiφ0 = hφ0 |Aφ0 i verwendet wurde.
Wir betrachten daher die Menge aller Zustände |φi mit verschwindendem Erwartungswert von X und P . Für diese lautet die Unschärferelation
2
~
hX iφ hP iφ ≥
.
2
2
2
Einsetzen der Unschärferelation in
mω 2 2
1
2
hP iφ +
hX iφ
hHiφ =
2m
2
44
KAPITEL 3. EINDIMENSIONALE PROBLEME
ergibt die Ungleichung
hHiφ
1
≥
2m
=
2
1
~
mω 2 2
+
hX iφ
2
hX 2 iφ
2
~2 1
mω 2 2
+
hX iφ .
8m hX 2 iφ
2
Wir verwenden die Abkürzung u := hX 2 iφ und betrachten die Funktion
E(u) =
~2 1 mω 2
+
u,
8m
u
2
| {z } | {z }
T (u)
und bestimmen ihr Minimum:
u≥0
V (u)
~2 1
mω 2
E (u) = −
+
,
8m u2
2
′
E ′ (u) = 0 ⇒ umin =
~ω
~
⇒ E(umin) =
.
2mω
2
6
E
~ω
2
V
T
~
2mω
u
Abbildung 3.1: Erwartungswerte der kinetischen Energie T (u), der potentiellen
Energie V (u) und der Gesamtenergie E(u) in Abhängigkeit vom Schwankungsquadrat des Ortes u = hX 2 i.
Aufgrund der Unschärferelation müssen also alle Energieeigenwerte (und damit
auch die Grundzustandsenergie) des harmonischen Oszillators ≥ ~ω/2 sein. Gibt
es aber tatsächlich einen Eigenvektor |φ0 i mit E0 = ~ω/2? Diese Frage lässt sich
leicht beantworten. Nimmt man nämlich als Grundzustandswellenfunktion ein
Gaußsches Wellenpaket
exp(−x2 /4σ 2 )
φ0 (x) =
(2π)1/4 σ 1/2
45
3.2. HARMONISCHER OSZILLATOR
mit Ortsunschärfe
σ=
~
2mω
1/2
,
so ist die wegen ∆X∆P = ~/2 die Impulsunschärfe
1/2
~
~mω
∆P =
=
2σ
2
und man erhält
hHiφ0 =
mω 2 2
1
hP 2iφ0 +
hX iφ0
2m
2
=
1 ~mω mω 2 ~
+
2m 2
2 2mω
=
~ω
= E0 .
2
Durch die Unschärferelation ist der Beitrag der kinetischen Energie mit jenem
der potentiellen Energie korreliert und man erhält als Grundzustandsenergie
den optimalen Kompromiss der beiden Anteile in hHi. Man beachte, dass im
Grundzustand der Erwartungswert der kinetischen Energie und der Erwartungswert der potentiellen Energie jeweils gleich große Beiträge zur Grundzustandsenergie E0 = ~ω/2 liefern.
Da |φ0i ein Zustand mit minimalem Unschärfeprodukt ∆X∆P = ~/2 und
hXiφ0 = hP iφ0 = 0 ist, wissen wir von früher, dass
X
P
|φ0 i = 0
+i
∆X
∆P
gilt, wobei in unserem Fall
∆X =
~
2mω
1/2
,
∆P =
~mω
2
1/2
.
Somit ist der Grundzustandsvektor des harmonischen Oszillators durch die Gleichung
!
r
r
2mω
2
X +i
P |φ0 i = 0
~
~mω
{z
}
|
= 2a
charakterisiert. Wir führen an dieser Stelle die Leiteroperatoren
r
r
r
r
mω
1
mω
1
X +i
P, a† =
X −i
P
a =
2~
2~mω
2~
2~mω
46
KAPITEL 3. EINDIMENSIONALE PROBLEME
ein, wobei man natürlich auch X, P durch a, a† ausdrücken kann:
r
r
~
~mω †
†
X=
(a + a ), P =
i(a − a)
2mω
2
Die fundamentale Vertauschungsrelation [X, P ] = i~1 ist äquivalent zu der Kommutatorrelation
[a, a† ] = 1.
Mit Hilfe der nichthermiteschen Operatoren a und a† definieren wir den hermiteschen Operator
N = a† a =
1
mω 2
i
P2 +
X +
[X, P ]
2~mω
2~
2~ | {z }
i~1
1
=
~ω
1
1 2 mω 2 2
P +
X − = N †.
2m
2
2
{z
}
|
H
Somit kann der Hamiltonoperator in der Form
H = ~ω(|{z}
a† a +1/2)
N
geschrieben werden.
Die Kommutatorrelationen
[N, a† ] = a† ,
[N, a] = −a
gestatten die Bestimmung des Spektrums von N und damit auch das des Hamiltonoperators, für den analoge Relationen gelten:
[H, a† ] = ~ωa† ,
[H, a] = −~ωa.
Wir wissen bereits, dass die Gleichung a|φ0 i = 0 eine (bis auf einen Phasenfaktor)
eindeutig bestimmte normierte Lösung |φ0 i besitzt (hφ0 |φ0 i = 1). Wegen N = a† a
ist somit N|φ0 i = 0 und |φ0 i ist ein normierter Eigenvektor von N zum
Eigenwert 0. Wir betrachten nun den Vektor a† |φ0 i,
Na† |φ0 i = (Na† − a† N)|φ0 i = [N, a† ] |φ0i = a† |φ0 i,
| {z }
a†
das heißt, a† |φ0i ist ein Eigenvektor von N zum Eigenwert 1 und aus
ha† φ0 |a† φ0 i = hφ0 |aa† φ0 i = hφ0 | [a, a† ] φ0 i = hφ0|φ0 i = 1
| {z }
1
47
3.2. HARMONISCHER OSZILLATOR
sieht man, dass |φ1 i = a† |φ0 i ein normierter Eigenvektor von N zum Eigenwert
1 ist.
Man kann dieses Verfahren nun fortsetzen, indem man a† auf |φ1 i anwendet:
Na† |φ1 i = (a† N + a† )|φ1i = 2a† |φ1 i.
2
a† |φ1 i = a† |φ0i ist somit ein Eigenvektor von N zum Eigenwert 2. Die Länge
dieses Vektors kann man aus der Gleichung
ha† φ1 |a† φ1 i = hφ1 | |{z}
aa† φ1 i = 2hφ1|φ1 i = 2
N +1
ablesen. Durch
2
1
1
|φ2 i = √ a† |φ1 i = √ a† |φ0 i
2
2
erhält man daher einen normierten Eigenvektor von N zum Eigenwert 2.
Auf diese Weise erhält man schließlich ein vollständiges Orthonormalsystem
von Eigenvektoren von N und H und die dazugehörigen Energieeigenwerte des
harmonischen Oszillators:
a|φ0 i = 0,
hφ0 |φ0 i = 1,
1
|φn i = √ (a† )n |φ0 i,
n!
N|φn i = n|φn i,
hφm |φn i = δmn ,
∞
X
n=0
H|φn i = ~ω(n + 1/2) |φn i,
{z
}
|
|φn ihφn | = 1,
(n = 0, 1, 2, . . .).
En
Bemerkungen:
1. a† heißt auch Erzeugungsoperator, er erzeugt“ bei Anwendung auf einen
”
Zustandsvektor ein Energiequant“ ~ω. Den Operator a nennt man dagegen
”
Vernichtungsoperator, da er bei der Anwendung auf einen Zustandsvektor die Energie um den Betrag ~ω erniedrigt.
2. Die Energieeigenfunktionen im Ortsraum erhält man durch Anwendung von
a† in der Ortsdarstellung,
mω 1/4
φ0 (x) =
exp(−mωx2 /2~),
π~
!n
r
r
1
mω
1 d
φn (x) = √
x−
φ0 (x)
2~
2~mω dx
n!
=
r
α
2
√ e−(αx) /2 Hn (αx),
n
2 n! π
mit den Hermitepolynomen Hn .
α=
r
1
mω
=√
,
~
2 (∆X)φ0
48
3.3
KAPITEL 3. EINDIMENSIONALE PROBLEME
Kohärente Zustände
Der Grundzustand |0i ≡ |φ0i eines harmonischen Oszillators mit Masse m und
Kreisrequenz ω ist ein Zustand mit minimalem Produkt von Orts- und Impulsunschärfe. Verschiebt man ihn um das Stück x0 im Ortsraum und um p0 im
Impulsraum, so erfüllt der entsprechende Zustandsvektor |x0 , p0 i die Gleichung
1 X − x0
P − p0
|x0 , p0 i = 0,
+i
2
∆X
∆P
wobei
∆X =
~
2mω
1/2
,
∆P =
~mω
2
1/2
.
Der Vektor |x0 , p0 i ist somit eine Lösung der Gleichung
p0 1 x0
|x0 , p0 i.
+i
a|x0 , p0 i =
2 ∆X
∆P
Durch die komplexe Zahl
r
mω
p0 p0
1 x0
,
=
+i
x0 + i √
z=
2 ∆X
∆P
2~
2~mω
die Gleichung a|zi = z|zi und die Normierungsbedingung hz|zi = 1 ist der
kohärente Zustand |zi ≡ |x0 , p0 i (bis auf einen frei wählbaren komplexen Phasefaktor eiα ) eindeutig festgelegt. Wir machen den allgemeinen Ansatz
|zi = f (a† )|0i
und erkennen mit Hilfe der Vertauschungsrelation
a, f (a† ) = f ′ (a† ),
dass die Lösung der Gleichung a|zi = z|zi durch
†
|zi = Ceza |0i
gegeben ist. Schreibt man den kohärenten Zustand |zi als Linearkombination der
normierten Energieeigenzustände |ni ≡ |φn i des harmonischen Oszillators,
|zi = C
∞
X
zn
n=0
∞
X
zn
√
|ni,
(a ) |0i = C
n!
n!
n=0
† n
2
so sieht man, dass hz|zi = 1 gleichbedeutend mit |C|2 e|z| = 1 ist. Wir wählen
unsere Phasenkonvention so, dass
|zi = e−|z|
2 /2
†
eza |0i
49
3.4. POTENTIALSTUFE
ist.
Wir wollen nun annehmen, dass sich der harmonische Oszillator zum Zeitpunkt
t = 0 in dem kohärenten Zustand |zi befindet. Man rechnet leicht nach, dass
dann der Zustandsvektor zum Zeitpunkt t wieder ein kohärenter Zustand ist,
e−iHt/~ |zi = e−iωt/2 |ze−iωt i.
Aus diesem Resultat liest man ab, dass die Erwartungswerte von Ort und Impuls wie die entsprechenden Größen eines klassischen harmonischen Oszillators
schwingen,
p0
hze−iωt |X|ze−iωt i = x0 cos ωt +
sin ωt
mω
hze−iωt |P |ze−iωt i = p0 cos ωt − mωx0 sin ωt
und die Schwankungen von Ort und Impuls zeitunabhängig sind.
3.4
Potentialstufe
Wir betrachten nun die Bewegung eines Teilchens unter den Einfluss einer äußeren
Kraft F (x) = −V0 δ(x) mit der potentiellen Energie
(
0 falls x < 0
V (x) = V0 θ(x) =
,
V0 > 0.
V0 falls x ≥ 0
Es handelt sich somit um den Grenzfall einer Kraft, die nur in einem sehr
kleinen Bereich um x = 0 (nach links) wirkt.
6V (x)
V0
-
0
Abbildung 3.2: Potentialstufe.
In der x-Darstellung hat der Hamiltonoperator die Gestalt
~2 d 2
+ V0 θ(x).
H=−
2m dx2
x
50
KAPITEL 3. EINDIMENSIONALE PROBLEME
Unser Ziel ist es, das Eigenwertproblem (Hφ)(x) = Eφ(x) zu lösen. Wegen
hHi ≥ 0 kommen für E nur nicht negative Werte in Frage.
Für x < 0 lautet die Eigenwertgleichung
−
~2 ′′
φ (x) = Eφ(x)
2m
mit der Lösung
Aeikx + Be−ikx ,
E=
~2 k 2
≥ 0,
2m
k ∈ R.
Für x > 0 lautet die Eigenwertgleichung
−
~2 ′′
φ (x) = (E − V0 )φ(x),
2m
E=
~2 k 2
2m
und man muss die Fälle
(1)
0 ≤ E ≤ V0 ,
(2)
V0 < E
unterscheiden.
Im Fall (1) ist die Lösung Ce−κx (κ > 0) mit
~2 k 2
~2 κ2
= V0 − E = V0 −
| {z }
2m
2m
≥0
⇒ κ =
p
2mV0 /~2 − k 2 ,
|k| ≤
√
2mV0
.
~
Bemerkung: Die Lösung e+κx explodiert für x → ∞ und kommt daher nicht
in Frage.
Im Fall (2) ist die Lösung Ceik x + De−ik x (k ′ ∈ R) mit
′
′
~2 k ′2
~2 k 2
= E − V0 =
− V0
| {z }
2m
2m
>0
⇒ k
′
=
p
k 2 − 2mV0 /~2 ,
|k| >
√
2mV0
.
~
An der Stelle x = 0 müssen sowohl φ(x) als auch φ′ (x) stetig sein, da ein Sprung
von φ(x) (an der Stelle x = 0) beim Bilden der zweiten Ableitung einen Term
51
3.4. POTENTIALSTUFE
∼ δ ′ (x) erzeugen würde, aber auch nur ein Knick von φ(x) (an der Stelle x = 0)
würde einen Sprung der Funktion φ′ (x) (an der Stelle x = 0) bedeuten und somit
einen Term ∼ δ(x) in φ′′ (x) erzeugen. Weder der eine noch der andere Term
können aber in der Eigenwertgleichung
−
~2 ′′
φ (x) + V0 θ(x)φ(x) = Eφ(x)
2m
auftreten.
Im Fall des vorliegenden Hamiltonoperators treten nur nicht normierbare Eigenfunktionen auf, das Spektrum von H ist R+ und somit rein kontinuierlich, es
treten (wie zu erwarten war) keine Bindungszustände auf.
Ein vollständiges System von Eigenfunktionen φk (x),
(Hφk )(x) =
~2 k 2
φk (x)
{z }
|2m
E(k)
kann man folgendermaßen konstruieren:
√
Für 0 < k < 2mV0 /~ (d.h. k > 0 und E(k) < V0 ) nimmt man
(
eikx + Re−ikx für x ≤ 0
,
φk (x) =
Ce−κx
für x ≥ 0
wobei
κ=
p
2mV0 /~2 − k 2 > 0.
Die Stetigkeit der Funktion φk (x) bei x = 0 ergibt 1 + R = C, die Stetigkeit der
ersten Ableitung von φk (x),
(
ik eikx − Re−ikx für x ≤ 0
′
,
φk (x) =
−κCe−κx
für x ≥ 0
liefert ik(1 − R) = −κC. Die Amplituden R, C sind somit durch den Wert von k
eindeutig bestimmt:
C=
2k
,
k + iκ
R=
k − iκ
,
k + iκ
κ=
p
2mV0 /~2 − k 2 .
Die gefundene Lösung beschreibt eine Welle mit drei verschiedenen Anteilen: Eine
einlaufende Welle eikx θ(−x) bewegt sich von links auf die Potentialstufe zu. Der
entsprechende Wahrscheinlichkeitsstrom ist
jein =
~ −ikx ↔ ikx ~k
e
.
∂x e =
2im
m
52
KAPITEL 3. EINDIMENSIONALE PROBLEME
Der Anteil Re−ikx θ(−x) entspricht einer total reflektierten Welle mit
jrefl = −~k/m.
Der Anteil Ce−κx θ(x) entspricht dem Eindringen der Welle in den (klassisch
verbotenen) Bereich x > 0 mit einer Eindringtiefe von ∼ 1/κ.
√
Für k > 2mV0 /~ (d.h. k > 0 und E(k) > V0 ) nimmt man
(
eikx + Re−ikx für x ≤ 0
,
φk (x) =
′
T eik x
für x ≥ 0
wobei
k′ =
p
k 2 − 2mV0 /~2 > 0.
Die Stetigkeitsbedingungen liefern das Gleichungssystem
1 + R = T,
ik(1 − R) = ik ′ T
mit den Lösungen
T =
2k
,
k + k′
R=
k − k′
,
k + k′
k′ =
p
k 2 − 2mV0 /~2 .
Wieder sind die Transmissionsamplitude (Durchgangsamplitude) T und die
Reflexionsamplitude R durch k eindeutig bestimmt. Diese Lösung beschreibt
eine Welle mit einem einlaufenden Anteil
eikx θ(−x),
jein =
~k
,
m
einem reflektierten Anteil
Re−ikx θ(−x),
jrefl = −|R|2
~k
= −|R|2 jein
m
und einem Anteil, der die Potentialstufe überwindet:
′
T eik x θ(x),
jdurch = |T |2
k′
~k ′
= |T |2 jein .
m
k
Bemerkenswert ist die nichtverschwindende Wahrscheinlichkeit für die Reflexion des Teilchens, welche in der klassischen Mechanik im Fall E > V0 nicht
auftritt.
Da die besprochene Energieeigenfunktion den Grenzfall eines Zustands mit scharfer Energie E(k) = ~2 k 2 /2m beschreibt, liegt folgende Interpretation nahe:
jrefl 2
jein = |R|
3.5. STREUUNG EINES WELLENPAKETS
53
ist die Wahrscheinlichkeit, dass das Teilchen an der Potentialstufe reflektiert
wird.
′
jdurch = |T |2 k
jein k
ist die Wahrscheinlichkeit, dass das Teilchen die Potentialstufe überwindet.
Tatsächlich gilt:
k′
|R|2 + |T |2 = 1.
k
Aufgabe: Zur Vervollständigung unseres Systems von Energieeigenfunktionen
fehlen jetzt noch jene Lösungen φk (x), k < 0, die (mit E > V0 ) von rechts kommen und dann entweder reflektiert werden oder in den Bereich x < 0 weiterlaufen.
Bestimmen Sie diese Funktionen!
3.5
Streuung eines Wellenpakets
Wir studieren nun das zeitliche Verhalten eines Wellenpakets, das an einer Potentialstufe gestreut wird. Jede normierte Wellenfunktion ψ(x), die also einen
möglichen Zustand beschreibt, lässt sich als Überlagerung der (nicht normierbaren) Energieeigenfunktionen φk (x) darstellen:
Z+∞
ψ(x) =
dk φk (x)c(k).
−∞
Als Beispiel konstruieren wir ein Wellenpaket, das sich zunächst links von der
Potentialstufe befindet und sich auf diese zubewegt. Uns interessiert die Zeitentwicklung dieser Wellenfunktion, insbesondere ihre Form nach dem Passieren der
Potentialstufe. Dazu konstruieren wir zunächst die Ortswellenfunktion
Z+∞
Z+∞
ikx
f (x) =
dk e g(k),
dx |f (x)|2 = 1,
−∞
−∞
mit einer reellen Funktion g(k), die im k-Raum auf das Intervall [−∆k, +∆k]
um den Wert k = 0 konzentriert ist und etwa so wie in Abb. 3.3 aussehen könnte.
Bemerkung: Mit derpWellenfunktion im Impulsraum (p = ~k) besteht der Zusammenhang ψ̃(p) = 2π/~ g(p/~).
Da die Funktion g(k) reell gewählt wurde, verschwindet der Erwartungswert des
Ortsoperators in diesem Zustand,
Z+∞
dx x|f (x)|2 = 0,
−∞
54
KAPITEL 3. EINDIMENSIONALE PROBLEME
6
g(k)
−∆k
k
+∆k
Abbildung 3.3: Mögliche Form der Funktion g(k).
weiters kann man die Ortsunschärfe ∆x durch ∆x∆k ∼ 1 abschätzen.
Wir betrachten nun die folgende Lösung der zeitabhängigen Schrödingergleichung:
Z+∞
ψ(x, t) =
dk g(k − k0 )e−iω(k)t φk (x)
−∞
ω(k) = E(k)/~ = ~k 2 /2m,
k0 > 0,
k0 ≫ ∆k.
Da in dem obigen Integral nur der Bereich [k0 −∆k, k0 + ∆k] beiträgt, sind wegen
k0 − ∆k ≫ 0 nur die Energieeigenfunktionen mit k > 0 relevant.
Im Bereich x < 0 erhält man

 +∞
Z
Z+∞
 dk g(k − k0 )e−iω(k)t eikx + dk g(k − k0 )e−iω(k)t R(k)e−ikx  θ(−x).
−∞
−∞
Wir untersuchen zunächst den ersten Term,
Z+∞
dk g(k − k0 )e−iω(k)t eikx θ(−x)
ψein (x, t) =
−∞
Z+∞
dl g(l)e−iω(k0 +l)t ei(k0 +l)x θ(−x),
=
−∞
wobei im Schritt von der ersten zur zweiten Zeile die Variablentransformation
l = k − k0 durchgeführt wurde. Setzt man
ω(k0 + l) =
~
~k0
~ 2
(k0 + l)2 = ω(k0 ) +
l+
l
2m
m
2m
55
3.5. STREUUNG EINES WELLENPAKETS
in das Integral ein, so erhält man
−iω(k0 )t ik0 x
ψein (x, t) = e
e
+∆k
Z
dl g(l)eil(x−~k0 t/m) e−i~tl
2 /2m
θ(−x)
−∆k
Wie wir früher gesehen haben (siehe Zeitentwicklung eines Gaußschen Wellenpakets) kommt es zu keiner wesentlichen Änderung der Breite des Wellenpakets,
wenn die Ungleichung
~|t|∆k
≪ ∆x
m
erfüllt ist. Diese Bedingung ist gleichbedeutend mit
~|t|(∆k)2
≪ 1,
m
für nicht zu große Zeiten |t| (im obigen Sinn) kann daher der Term
exp(−i~tl2 /2m) im Integranden gleich 1 gesetzt werden und man erhält
+∆k
Z
~k0 t θ(−x)
dl g(l) exp il x −
m
|{z}
−∆k
ψein (x, t) ≃ e−iω(k0 )t eik0 x
v0
= e−iω(k0 )t eik0 x f (x − v0 t)θ(−x).
Das Wellenpaket bewegt sich also für t < 0 mit der Geschwindigkeit v0 = ~k0 /m
auf die Potentialstufe zu.
Nun analysieren wir den zweiten Term,
Z+∞
ψrefl (x, t) =
dk g(k − k0 )e−iω(k)t R(k)e−ikx θ(−x)
−∞
=
+∆k
Z
dl g(l)e−iω(k0 +l)t R(k0 + l)e−i(k0 +l)x θ(−x).
−∆k
Wir nehmen an, dass ∆k so klein gewählt wurde, dass sich R(k0 + l) innerhalb
des für die Integration relevanten Bereichs l ∈ [−∆k, +∆k] nur wenig ändert.
Wir untersuchen zunächst den Fall E(k0 ) < V0 :
r
k − iκ
2mV0
R(k) =
,
κ=
− k2
k + iκ
~2
(~2 k 2 /2m < V0 ).
56
KAPITEL 3. EINDIMENSIONALE PROBLEME
Wegen |R(k)| = 1, kann man die Reflexionsamplitude in der Form
R(k) = eiϕ(k) ,
ϕ(k) = −2 arctan
κ
k
schreiben. Da bei der Integration nur Werte von l mit |l| ≤ ∆k beitragen, kann
man, falls ∆k ≪ κ0 erfüllt ist, die Näherung
ϕ(k0 + l) ≃ ϕ(k0 ) + ϕ′ (k0 )l = −2 arctan
κ0
2
+ l
k0 κ0
verwenden:
′
R(k0 + l) ≃ eiϕ(k0 ) eiϕ (k0 )l .
Für den Fall E(k0 ) > V0 hat die Reflexionsamplitude die Form
R(k) =
k − k′
,
k + k′
k′ =
p
(~2 k 2 /2m > V0 ).
k 2 − 2mV0 /~2
In diesem Fall ist R(k) = |R(k)| und es tritt keine komplexe Phase auf. Die
Taylorentwicklung
R(k0 + l) = R(k0 ) −
2R(k0 )
l + O(l2 )
k0′
zeigt, dass der zweite Term gegen den ersten zu vernachlässigen ist, falls ∆k ≪ k0′
erfüllt ist.
In beiden Fällen (sowohl E(k0 ) < V0 als auch E(k0 ) > V0 ) kann man also so
vorgehen, dass man R(k0 + l) in der Form
R(k0 + l) = |R(k0 + l)|eiϕ(k0 +l)
schreibt und diesen Ausdruck durch
′
R(k0 + l) ≃ |R(k0 )|eiϕ(k0 ) eiϕ (k0 )l
{z
}
|
R(k0 )
approximiert. Man erhält dann (wieder für nicht zu große Zeiten |t| ≪
+∆k
Z
m∆x
):
~∆k
~k0
dl g(l) exp il − x −
t + ϕ′ (k0 ) θ(−x)
m
|{z}
−∆k
ψrefl (x, t) ≃ e−iω(k0 )t e−ik0 x R(k0 )
v0
= e−iω(k0 )t e−ik0 x R(k0 ) f − x − v0 t + ϕ′ (k0 ) θ(−x).
57
3.5. STREUUNG EINES WELLENPAKETS
Der reflektierte Teil des Wellenpakets bewegt sich für t > 0 mit der Geschwindigkeit −v0 von der Potentialstufe weg. Für den Erwartungswert des Ortsoperators
liest man x = −v0 t + ϕ′ (k0 ) ab.
Im Fall E(k0 ) > V0 ist ϕ′ (k0 ) = 0 und die Reflexion eines Teils des Wellenpakets
erfolgt (ohne zeitliche Verzögerung) unmittelbar an der Potentialstufe bei x = 0.
Für E(k0 ) < V0 ist ϕ′ (k0 ) = 2/κ0 > 0 und die Totalreflexion (|R(k0 )| = 1)
erfolgt zeitlich verzögert, da die Welle in den Bereich x > 0 eindringen kann.
Um die Wahrscheinlichkeit, dass sich das Teilchen nach der Wechselwirkung“
”
mit der Potentialstufe (also für genügend großes t > 0) im Bereich x < 0 aufhält,
zu erhalten, berechnen wir das Integral
Z0
−∞
dx |ψrefl (x, t)|2 = |R(k0)|2 .
Es ergibt sich also – unter den gemachten Voraussetzungen – tatsächlich die schon
früher mit Hilfe des Wahrscheinlichkeitsstromes diskutierte Reflexionswahrscheinlichkeit.
Zur Analyse des zeitlichen Verhaltens der Wellenfunktion im Bereich x > 0 geht
man analog vor. Im Fall E(k0 ) < V0 hat der Teil des Wellenpakets, welcher die
Potentialstufe überwindet, die Form
Z+∞
ψdurch (x, t) =
dk g(k − k0 )e−iω(k)t C(k)e−κ(k)x θ(x)
−∞
κ(k) =
p
2mV0 /~2 − k 2 ,
~2 k
k − iκ(k) =
C(k) =
mV0
δ(k) = − arctan
r
2
~k eiδ(k) ,
mV0
κ(k)
ϕ(k)
=
.
k
2
Wir führen wieder die Variablentransformation k = k0 + l durch,
Z+∞
ψdurch (x, t) =
dl g(l)e−iω(k0 +l)t C(k0 + l)e−κ(k0 +l)x θ(x)
−∞
58
KAPITEL 3. EINDIMENSIONALE PROBLEME
und erhalten für nicht zu großes |t| und genügend kleines ∆k die Näherungsformel
−iω(k0 )t
ψdurch (x, t) ≃ e
iδ(k0 ) −κ0 x
|C(k0 )|e
{z
|
e
C(k0 )
θ(x)
}
+∆k
Z
il −v0 t+δ′ (k0 )
dl g(l)e
−∆k
≃ e−iω(k0 )t C(k0 )e−κ0 x θ(x)f − v0 t + δ ′ (k0 ) ,
| {z }
1/κ0
Da die Funktion f (x) im Wesentlichen auf den Bereich [−∆x, +∆x] (∆x ∼ 1/∆k)
konzentriert ist, macht sich dieser Beitrag nur für Zeiten bemerkbar, welche
−∆x + 1/κ0 . v0 t . ∆x + 1/κ0
erfüllen. Es kommt also zu einem kurzzeitigen, exponentiell abfallenden Eindringen der Welle in den Bereich x > 0.
Im Fall E(k0 ) > V0 hat der die Potentialschwelle passierende Anteil die Form
Z+∞
′
ψdurch (x, t) =
dk g(k − k0 )e−iω(k)t T (k)eik (k)x θ(x)
−∞
k ′ (k) =
p
k 2 − 2mV0 /~2 ,
T (k) =
2k
.
k + k ′ (k)
In der besprochenen Näherung erhält man
Z+∞
′
dl g(l)e−iω(k0 +l)t T (k0 + l)eik (k0 +l)x θ(x)
ψdurch (x, t) =
−∞
ik0′ x
≃ e−iω(k0 )t e
T (k0 )θ(x)
+∆k
Z
′
dl g(l)eil(−v0 t+k0 x/k0 )
−∆k
′
= e−iω(k0 )t eik0 x T (k0 )θ(x) f
k0
~k0′ t) ,
(x
−
k0′
m
das heißt dieser Teil der Wellenfunktion bewegt sich mit der gegenüber dem
einlaufenden Wellenpaket reduzierten Geschwindigkeit
v0′ =
k′
~k0′
= 0 v0
m
k0
59
3.6. POTENTIALWALL
und mit einer um den Faktor k0′ /k0 verringerten Breite. Berechnet man (für
genügend großes t > 0) das Integral
Z∞
Z+∞
k0
2
2
dx |ψ(x, t)| ≃
dx |T (k0)|2 f ′ (x − v0′ t) k
| 0 {z
}
0
−∞
y
k′
= |T (k0 )|2 0
k0
Z+∞
k′
dy|f (y)|2 = |T (k0 )|2 0 ,
k0
|{z}
−∞
{z
}
|
v0′
1
so erhält man tatsächlich die Durchgangswahrscheinlichkeit |T (k0)|2 v0′ .
3.6
Potentialwall
Als weiteres Beispiel betrachten wir den Hamiltonoperator
H=
P2
+ V0 θ(X)θ(a − X),
2m
V0 > 0,
der die Bewegung eines Teilchens in Anwesenheit eines Potentialwalls beschreibt
(siehe Abbildung 3.4). Das Spektrum von H ist wieder R+ .
V (x) 6
V0
eikx-
T eikx
-
Re−ikx
-
0
a
x
Abbildung 3.4: Potentialwall.
Wir betrachten wieder eine von links einlaufende Welle (k > 0). Für E < V0
lautet die entsprechende Energieeigenfunktion

ikx
−ikx

für x ≤ 0
e + Re
κx
−κx
φk (x) = Ae + Be
für 0 ≤ x ≤ a ,

 ikx
Te
für x ≥ a
60
KAPITEL 3. EINDIMENSIONALE PROBLEME
wobei
κ=
p
2mV0 /~2 − k 2 > 0.
Die explizite Form der Amplituden R, T , A, B findet man wieder durch Berücksichtigung der Stetigkeit von φk (x) und φ′k (x) an den Stellen x = 0 und x = a.
Die Welle wird teilweise reflektiert, sie dringt aber auch in den klassisch verbotenen Bereich 0 ≤ x ≤ a ein, sodass sich ein zweiter Teil der Welle schließlich im
Bereich x > a weiter fortzupflanzen kann. Dies bedeutet, dass ein Teilchen mit
einer gewissen Wahrscheinlichkeit durch den Potentialwall tunneln kann. Man
bezeichnet dies als Tunneleffekt.
Für E > V0 lautet die Energieeigenfunktion

ikx
−ikx

e + Re
′
′
φk (x) = Aeik x + Be−ik x

 ikx
Te
wobei
k′ =
p
für x ≤ 0
für 0 ≤ x ≤ a ,
für x ≥ a
k 2 − 2mV0 /~2 > 0.
Aufgabe: Bestimmen Sie für beide Fälle R(k), T (k), A(k) und B(k), die
Reflexions- und Transmissionwahrscheinlichkeit sowie die zeitliche Verschiebung
eines Wellenpakets beim Überwinden des Potentialwalls bzw. bei der Reflexion
daran.
Beispiele für den Tunneleffekt:
1. Alphazerfall
Ein 4 He-Kern wird als α-Teilchen bezeichnet. Schwere Kerne sind instabil und
zerfallen häufig durch Emission eines α-Teilchens. Ein Beispiel dafür ist der Zerfall
238
92 U
→ 234
90 Th + α,
Eα ≃ 4.2 MeV,
τ1/2 ≃ 4.5 × 109 a.
Den Mechanismus des α-Zerfalls kann man so verstehen: die Reichweite der (anziehenden) Kernkräfte beträgt etwa
R ≃ 1.5 × 10−15 m A1/3 ,
wodurch der Kernradius R bestimmt ist. Außerhalb des Kerns (r > R) spürt das
α-Teilchen eine abstoßende Coulombkraft mit der potentiellen Energie
V (r) ≃
2(Z − 2)e2
.
r
Die Abhängigkeit der potentiellen Energie des α-Teilchens vom Abstand r ist in
Abbildung 3.5 schematisch dargestellt.
61
3.6. POTENTIALWALL
Abbildung 3.5: Tunneleffekt beim Alphazerfall (Quelle: Informatiker aus der
”
deutschsprachigen Wikipedia“, de.wikipedia.org/wiki/Alphastrahlung).
Für 238
92 U beträgt die Höhe der Potentialschwelle etwa 28 MeV. Obwohl Eα ≃
4.2 MeV ≪ 28 MeV, kann der α-Zerfall durch den Tunneleffekt erfolgen.
Da die Tunnelwahrscheinlichkeit empfindlich von V0 − Eα abhängt, variieren die
Halbwertszeiten der α-radioaktiven Kerne beträchtlich:
232
90 Th
226
88 Ra
212
84 Po
:
:
:
Eα ≃ 4.0 MeV,
Eα ≃ 4.8 MeV,
Eα ≃ 8.8 MeV,
τ1/2 ≃ 1.4 × 1010 a,
τ1/2 ≃ 1600 a,
τ1/2 ≃ 3 × 10−7 s.
2. Rastertunnelmikroskop
Im Jahr 1986 erhielten Gerd Binnig und Heinrich Rohrer den Nobelpreis für
die Erfindung des Rastertunnelmikroskops. Dieses Gerät besteht aus einer sehr
scharfen leitenden Spitze, die sich in einer Entfernung von wenigen Å von einer
ebenfalls leitenden Probe befindet. Wird eine kleine Spannung zwischen Spitze
und Probe angelegt, können Elektronen, die durch den Potentialwall zwischen
Spitze und Probe getunnelt sind, auf der anderen Seite des Potentialwalls ein
62
KAPITEL 3. EINDIMENSIONALE PROBLEME
noch unbestztes Energieniveau vorfinden. Es fließt ein sogenannter Tunnelstrom,
der eine sehr präzise Vermessung der Oberflächenstruktur der Probe auf atomarem Niveau (genauer: der Elektronendichte der Probe) gestattet. Der prinzipielle
Aufbau eines Rastertunnelmikroskops ist in Abbildung 3.6 dargestellt.
Abbildung 3.6: Funktionsprinzip eines Rastertunnelmikroskops (Quelle: Frank
Trixler, LMU München; adaptiert aus LMU/CeNS: Organic Semiconductor
Group, de.wikipedia.org/wiki/Rastertunnelmikroskop).
Die Spitze des Rastertunnelmikroskops, deren Position im Raum durch ein Piezoelement verändert werden kann, rastert die Oberfläche der in der x-y-Ebene
befindlichen Probe ab. Der Tunnelstrom hängt exponentiell von der Breite der
Potentialbarriere und damit vom Abstand d ab.
Wird beim Abrastern der Probe der Tunnelstrom (und damit der Abstand) durch
Rückkopplung konstant gehalten gehalten, so spricht man vom Constant Cur”
rent Mode“. Dabei wird die z-Koordinate der Spitze entsprechend variiert und
liefert die Information über die Oberflächenstruktur der Probe. Das Abrastern
(Bewegung der Spitze) wird elektronisch aufgezeichnet. Der Abstand d ∼ 10 Å
wird mit einer Genauigkeit von 0.1 Å eingehalten.
Im Constant Height Mode“ wird der Abstand zwischen Spitze und Probe beim
”
Abrastern konstant gehalten und der nun variierende Tunnelstrom gemessen.
63
3.7. DELTAPOTENTIAL
3.7
Deltapotential
Wir untersuchen nun das Eigenwertproblem des Hamiltonoperators
H=
P2
+ λδ(X).
2m
Das hier betrachtete Deltapotential V (x) = λδ(x) ist für λ > 0 abstoßend und
für λ < 0 anziehend. In der x-Darstellung lautet die Eigenwertgleichung:
~2 ′′
φ (x) + λδ(x)φ(x) = Eφ(x).
2m
Man findet die Lösungen dieser Gleichung wieder durch Anstückeln der Lösungen
für die Bereiche x < 0 und x > 0. Die Funktion φ(x) muss zwar an der Stelle
x = 0 stetig sein,
lim φ(−ε) = lim φ(+ε),
−
ε↓0
ε↓0
′
für die erste Ableitung φ (x) gilt das aber jetzt nicht mehr. Integriert man nämlich
die Eigenwertgleichung über ein kleines Intervall [−ε, ε], so erhält man
2mλ
lim φ′ (+ε) − φ′ (−ε) = 2 φ(0).
ε↓0
~
Für einen von links einlaufenden Streuzustand (k > 0) mit der Energie E =
~2 k 2 /2m machen wir wie gewohnt den Ansatz
φk (x) = (eikx + Re−ikx )θ(−x) + T eikx θ(x).
Die Anstückelungsbedingungen liefern das lineare Gleichungssystem
1 + R = T,
ik(T − 1 + R) =
2mλ
T,
~2
das für T und R die Lösungen
T (k) =
1
,
1 + imλ
2
~ k
R(k) =
− imλ
~2 k
1 + imλ
~2 k
ergibt.
Ist |mλ/~2 k| < 1 (also für ein genügend schwaches Potential, oder genügend
großen Teilchenimpuls), dann kann man die Amplituden so schreiben:
∞
X
T =
(−iα)n ,
n=0
R = −iα
∞
X
n=0
n
(−iα) =
∞
X
n=1
(−iα)n ,
α=
mλ
.
~2 k
Dieses Resultat kann man mit Hilfe der folgenden zwei Feynmanregeln und
unserer Postulate für die Addition und Multiplikation von Amplituden anschau”
lich“ verstehen:
64
KAPITEL 3. EINDIMENSIONALE PROBLEME
1. Die Amplitude für die freie Bewegung eines Teilchens mit Impuls p = ~k
vom Ort xi zum Ort xf ist durch exp(ik|xf − xi |) gegeben.
2. Die Amplitude für eine einmalige Wechselwirkung mit dem am Ort x = 0
befindlichen Deltapotential ist −iα.
Will man z.B. die Amplitude dafür erhalten, dass das Teilchen am Ort x > 0
nachgewiesen wird, wenn es mit dem Impuls p = ~k von der am Ort xQ < 0
befindlichen Quelle produziert1 wurde (Transmission), muss man folgende Amplituden addieren:
• Das Teilchen bewegt sich von der Quelle zum Ort x, ohne dass eine Wechselwirkung mit dem Potential stattfindet:
eik(x−xQ )
• Das Teilchen bewegt sich zum Punkt 0, dort findet eine Wechselwirkung
mit dem Potential statt, anschließend bewegt sich das Teilchen zum Punkt
x:
eik(x−0) (−iα)eik(0−xQ ) = −iαeik(x−xQ )
• Das Teilchen bewegt sich zum Punkt 0, dort findet eine Wechselwirkung
mit dem Potential statt. Das hat ihm so gut gefallen, dass es gleich noch
einmal mit dem Potential wechselwirkt, bevor es sich zum Punkt x bewegt:
(−iα)2 eik(x−xQ)
• usw.
Als Resultat erhält man tatsächlich die Gesamtamplitude für Transmission,
∞
X
(−iα)n eik(x−xQ ) ,
|n=0 {z
T
}
wobei der von der Quelle stammende Phasenfaktor e−ikxQ natürlich keine Auswirkung auf beobachtbare Größen hat.
Im Fall xQ < x < 0 geht man analog vor:
• Das Teilchen bewegt sich von der Quelle zum Ort x, ohne dass eine Wechselwirkung mit dem Potential stattfindet:
eik(x−xQ )
1
Die Wahl von xQ ist völlig willkürlich und hat keinen Einfluss auf observable Größen.
65
3.7. DELTAPOTENTIAL
• Das Teilchen bewegt sich zum Punkt 0, dort findet eine Wechselwirkung
mit dem Potential statt, anschließend bewegt sich das Teilchen zum Punkt
x:
eik(0−x) (−iα)eik(0−xQ ) = −iαe−ik(x+xQ )
• Das Teilchen bewegt sich zum Punkt 0, dort findet eine zweimalige Wechselwirkung mit dem Potential statt, dann bewegt sich das Teilchen zum
Punkt x:
(−iα)2 e−ik(x+xQ )
• usw.
Die Summation aller Beiträge liefert schließlich die Gesamtamplitude
∞
X
ikx
(−iα)n e−ikx e−ikxQ .
e +
|n=1 {z
R
}
Im Fall eines anziehenden Deltapotentials (λ < 0) gibt es auch einen Bindungszustand mit Energie EB < 0. Für die entsprechende Energieeigenfunktion
machen wir den Ansatz
φB (x) = N eκx θ(−x) + e−κx θ(x) = N e−κ|x| ,
κ > 0,
EB = −
~2 κ2
,
2m
wobei die Stetigkeit von φB (x) an der Stelle x = 0 bereits berücksichtigt wurde.
Die Sprungbedingung für die erste Ableitung der Wellenfunktion,
2mλ
lim φ′B (+ε) − φ′B (−ε) = 2 φB (0),
ε↓0
~
liefert
m|λ|
mλ2
2mλ
−2κ = 2 ⇒ κ = 2 ⇒ EB = − 2 .
~
~
2~
Aufgabe: Diskutieren Sie das Eigenwertproblem des Hamiltonoperators
H=
P2
+ λ1 δ(X − x1 ) + λ2 δ(X − x2 ),
2m
0 < x1 < x2 .
Überprüfen Sie Ihr Result für die Reflexions- und Transmissionsamplitude, indem Sie diese Größen mit Hilfe der oben besprochenen Feynmanregeln bis zur
quadratischen Ordnung in λ1,2 berechnen (Diagramme zeichnen!) und mit der
entsprechenden Entwicklung des vollständigen Resultats vergleichen. Wann gibt
es Bindungszustände? Wovon hängt ihre Anzahl ab?
66
3.8
KAPITEL 3. EINDIMENSIONALE PROBLEME
Potentialtopf
Die Lösung des Eigenwertproblems für einen rechteckigen Potentialtopf (siehe
Abbildung 3.7) mit dem Hamiltonoperator
H=
P2
+ V0 θ(X + b)θ(b − X),
2m
V0 < 0
erfolgt für Streuzustände (E > 0) wie im Fall des Potentialwalls. Für E < 0 führt
das Eigenwertproblem auf eine transzendente Gleichung, die numerisch oder graphisch gelöst werden kann und mindestens eine Lösung besitzt. Es gibt also mindestens einen Bindungszustand φ0 (x) mit einem dazugehörigen Energieeigenwert
V0 < E0 < 0. Ist der Potentialtopf tief genug, kommen noch weitere Bindungszustände φ1 (x), φ2 (x), . . . mit diskreten Energieeigenwerten E0 < E1 < E2 <
. . . < 0 hinzu. Die Energieeigenfunktion φn (x) besitzt genau n Nullstellen und ist
für gerades n eine gerade Funktion und für ungerades n eine ungerade Funktion.
Aufgabe: Führen Sie die hier besprochenen Rechnungen selbst durch!
6V (x)
−b
0
+b
x
-
V0 < 0
Abbildung 3.7: Rechteckiger Potentialtopf.
Die hier für den rechteckigen Potentialtopf besprochenen qualitativen Eigenschaften der Energieeigenfunktionen und Eigenwerte gelten ganz allgemein auch für
einen symmetrischen Potentialtopf beliebiger Form (Abbildung 3.8), wobei wir
annehmen wollen, dass die potentielle Energie für |x| > b verschwindet.
Die Eigenwertgleichung lautet in diesem Fall
φ′′ (x) =
2m
V
(x)
−
E
φ(x),
~2
von der wir normierbare Lösungen mit V (0) < E < 0 finden wollen. Mit Hilfe
der dimensionslosen Größen
x
ξ= ,
b
g(ξ) =
√
bφ(x),
2mb2
V (x),
v(ξ) =
~2
2mb2
ε=
E,
~2
67
3.8. POTENTIALTOPF
6V (x)
−b
+b
0
x
-
Abbildung 3.8: Symmetrischer Potentialtopf.
kann man die Eigenwertgleichung in der Form
g ′′ (ξ) = v(ξ) − ε g(ξ)
schreiben. Das reskalierte Potential v(ξ) verschwindet jetzt für |ξ| > 1 (siehe
Abbildung 3.9).
Zunächst überzeugen wir uns davon, dass die Energieeigenwerte des diskreten
Spektrums (also der Bindungszustände) nicht entartet sind. Dazu nehmen wir
an, dass g1 und g2 Lösungen der Eigenwertgleichung zum selben Eigenwert ε < 0
sind, woraus
g2′′
g1′′
=v−ε= ,
g1
g2
bzw. g1′′g2 − g2′′ g1 = 0 folgt. Integriert man diese Beziehung, so erhält man
g1′ g2 − g2′ g1 = const.
Da es sich um die Wellenfunktionen von Bindungszuständen handelt, die im
Unendlichen verschwinden, muss die Integrationskonstante gleich Null sein. Somit
erhält man die Beziehung
g1′
g1
g2′
d
ln
=0
−
=0 ⇔
g1 g2
dξ
g2
und nach einer weiteren Integration g1 = Cg2 , d.h. die beiden Lösungen sind
linear abhängig.
Bemerkung: Bei diesem Beweis war wesentlich, dass die Energieeigenfunktionen
im Unendlichen verschwinden. Für die Energieeigenfunktionen des kontinuierlichen Spektrums (Streuzustände) gilt dies bekanntlich nicht und tatsächlich gibt
es zu jeder vorgegebenen Energie ε zwei linear unabhängige Lösungen des Eigenwertproblems (die ebene Welle kann von links oder von rechts kommen).
68
KAPITEL 3. EINDIMENSIONALE PROBLEME
Wegen der angenommenen Symmetrie des Potentials, v(−ξ) = v(ξ) und der Nichtentartung der Energieeigenwerte des diskreten Spekrums, kann die Wellenfunktion eines Bindungszustands nur entweder eine gerade Funktion, g(−ξ) = g(ξ),
oder eine ungerade Funktion, g(−ξ) = −g(ξ), sein. Das heißt, dass im ersten
Fall g ′ (0) = 0 und im zweiten Fall g(0) = 0 erfüllt ist.
Wir wollen jetzt versuchen, das Zustandekommen der diskreten Energieeigenwerte bei ganz bestimmten Werten von ε < 0 qualitativ zu verstehen. Da wir
angenommen haben, dass das Potential für |ξ| > 1 verschwindet, ist in diesem
Bereich die Lösung der Eigenwertgleichung exakt bekannt,
(
eκξ
für ξ ≤ −1
, κ > 0,
ε = −κ2 .
g(ξ) ∼
−κξ
e
für ξ ≥ 1
Wir wählen die (willkürliche) Normierung g(−1) = 1, somit ist g(ξ) = eκ eκx für
ξ ≤ −1 und die erste Ableitung der Wellenfunktion an der Stelle ξ = −1 ist dann
gerade gleich κ.
Zunächst einmal ist klar, dass ε = −κ2 größer als das Minimum des Potentials,
v(0), sein muss. Wegen der Unschärferelation kann auch v(0) sicher kein Energieeigenwert sein. Mit Hilfe der Energieeigenwertgleichung kann man das so sehen:
v(ξ) − v(0) ist nämlich im gesamten Bereich ξ < 0 positiv, wegen g(−1) = 1 > 0
ist somit die Krümmung der Funktion g im Bereich ξ < 0 ebenfalls positiv und
wegen g ′(−1) = κ > 0, kann g an der Stelle ξ = 0 sicher keine verschwindende
Ableitung, geschweige denn eine Nullstelle besitzen.
6v(ξ)
−1
ξ˜
+1
ξ
-
ε = −κ2
Abbildung 3.9: Reskaliertes Potential.
Man muss also ε größer (bzw. κ kleiner) wählen. Die Nullstelle von v(ξ) − ε
befindet sich dann an einer Stelle ξ˜ mit −1 < ξ˜ < 0 (siehe Abbildung 3.9). In
diesem Fall besitzt die Funktion g für ξ < ξ˜ wieder eine positive Krümmung,
an der Stelle ξ˜ hat sie einen Wendepunkt, wo die Krümmung das Vorzeichen
wechselt. Mit einer geschickten Wahl ε0 = −κ20 kann man daher erreichen, dass die
69
3.8. POTENTIALTOPF
erste Ableitung der dazugehörigen Funktion g0 an der Stelle ξ = 0 verschwindet.
(Man kann zeigen, dass diese Lösung stets existiert.) Die Funktionswerte für
ξ > 0 erhält man durch Spiegelung an der Ordinatenachse. Man erhält also eine
gerade Funktion ohne Nullstellen, welche (abgesehen von der Normierung) die
Grundzustandswellenfunktion darstellt.
Vergrößert man den Wert von ε weiter, so bewegt sich ξ˜ weiter nach links und g
krümmt sich zwischen ξ˜ und 0 weiter zur Abszissenachse. Ist das Potential tief
genug, kann man durch eine geeignete Wahl der Energie, ε1 = −κ21 , erreichen,
dass die dazugehörige Funktion g1 an der Stelle 0 eine Nullstelle besitzt. Die Fortsetzung dieser Funktion in den Bereich ξ > 0 ergibt eine ungerade Funktion mit
einer Nullstelle. Man hat dann (wieder modulo Normierung) die Wellenfunktion
des ersten angeregten Zustands gefunden.
Die Fortsetzung dieses Verfahrens liefert (bei genügend tiefem Potentialtopf)
einen Eigenwert ε2 > ε1 mit einer geraden Eigenfunktion g2 , welche zwei Nullstellen besitzt. Dann folgt ein Eigenwert ε3 > ε2 mit einer ungeraden Eigenfunktion g3 mit drei Nullstellen, usw.
Bemerkung: Eine numerische Ermittlung der Bindungsenergien und der Energieeigenfunktionen kann mit Hilfe eines einfachen Computerprogramms durchgeführt werden. Man unterteilt das Intervall [−1, 0] in N Teile der Länge ∆ξ =
1/N,
ξn = −1 + n∆ξ, n = 0, 1, 2, . . . , N.
Ausgehend von den Startwerten
g(ξ0) = g(−1) = 1,
g ′(ξ0 ) = g ′ (−1) = κ
erhält man eine Näherungslösung für die Funktion g(ξ) durch Iteration von
g(ξn+1) = g(ξn) + g ′ (ξn )∆ξ,
g ′ (ξn+1 ) = g ′(ξn ) + v(ξn ) + κ2 g(ξn )∆ξ.
Beginnend mit κ = |v(0)|1/2 verringert man den Wert von κ in geeignet gewählten
Schritten der Größe ∆κ, bis schließlich (für ein gewisses κ′ ) g ′ (0) das Vorzeichen
wechselt. Den Parameterbereich zwischen κ′ und κ′ + ∆κ untersucht man nun
genauer und erhält auf diese Weise eine Näherungslösung für κ0 und damit für
die Grundzustandsenergie ε0 = −κ20 . Danach werden die Werte von κ weiter
verringert, man sucht jetzt allerdings nach einer Änderung des Vorzeichens von
g(0), was schließlich eine Näherungslösung für κ1 und damit für die Energie des
ersten angeregten Zustands, ε1 = −κ21 , liefert. Durch Fortsetzung dieses Verfahrens gelangt man schließlich zu κ = 0 und hat damit Näherungslösungen für alle
Energien und Wellenfunktionen der Bindungszustände des betrachteten Potentials gefunden.
70
KAPITEL 3. EINDIMENSIONALE PROBLEME
Aufgabe: Verallgemeinern Sie die obige Diskussion auf den Fall eines Potentialtopfs, der nicht die Symmetrie v(−ξ) = v(ξ) aufweist. Welche allgemeinen
Aussagen bleiben erhalten? Wie muss das Programm zur näherungsweisen Ermittlung der Energieeigenfunktionen und Energieeigenwerte modifiziert werden?
Literatur: R.P. Feynman, R.B. Leighton, M. Sands: The Feynman Lectures on
Physics, vol. 3 (Quantum Mechanics), Addison-Wesley, Reading, Massachusetts,
1965; F. Schwabl: Quantenmechanik (QM1), Springer, Berlin, Heidelberg, New
York, 2007
Kapitel 4
Mathematische Struktur der
Quantentheorie
Die mathematische Struktur der klassischen Mechanik und der Quantenmechanik werden gegenübergestellt. Während in der klassischen Theorie beobachtbare
Größen durch reellwertige Funktionen auf dem Phasenraum dargestellt werden, ist
die Observablenalgebra in der Quantentheorie nicht kommutativ. Dagegen können
Zustände in beiden Fällen als normierte, nicht negative lineare Funktionale auf
der Oberservablenalgebra aufgefasst werden. Den reinen Zustände entsprechen im
Fall der klassischen Mechanik Punkte im Phasenraum, in der Quantenmechanik
Strahlen im Hilbertraum. Gemischte Zustände sind konvexe Linearkombinationen
von reinen Zuständen. Der Dichteoperator gestattet eine Standarddarstellung von
gemischten (wie auch reinen) Zuständen in der Quantenmechanik.
Die Zeitentwicklung eines dynamischen Systems kann auf verschiedene (physikalisch äquivalente) Arten beschrieben werden. Im Heisenbergbild sind die den
Observablen entsprechenden Operatoren zeitabhängig und die Dichteoperatoren
(bzw. Zustandsvektoren) zeitunabhängig, im Schrödingerbild ist es gerade umgekehrt. Im Heisenbergbild erfüllen die Operatoren (z.B. für Ort und Impuls) die
klassischen Bewegungsgleichungen.
In einem zweidimensionalen Hilbertraum kann man die möglichen Zustände als
Punkte der Blochkugel interpretieren. Reine Zustände sitzen auf ihrer Oberfläche,
gemischte dagegen im Inneren.
4.1
Klassische Mechanik
Wir betrachten ein System mit f Freiheitsgraden mit verallgemeinerten Koordinaten
q = (q1 , . . . , qf )
71
72KAPITEL 4. MATHEMATISCHE STRUKTUR DER QUANTENTHEORIE
und den dazu kanonisch konjugierten Impulsen
p = (p1 , . . . , pf ).
In der klassischen Mechanik werden die beobachtbaren Größen (Observablen) durch reellwertige Funktionen auf dem Phasenraum dargestellt,
A(q1 , . . . , qf , p1 , . . . pf ),
die Menge dieser Funktionen bildet die Observablenalgebra.
Beispiele von Observablen im Einteilchenphasenraum R6 :
(i) kinetische Energie T = p~ 2 /2m
(ii) i-te Komponente des Drehimpulses Li = (~x × p~ )i = ǫijk xj pk
(iii) Ist das System im Gebiet B ⊂ R6 des Phasenraums?
(
1 für (~x, p~ ) ∈ B
cB (~x, p~ ) =
0 für (~x, p~ ) ∈
/B
Die möglichen Messwerte einer Observablen A sind die Elemente des Wertebereichs (das Spektrum“) der Funktion A(q, p). Im vorigen Beispiel sind die
”
Spektren der drei Observablen:
(i) R+ ,
(ii) R,
(iii) {0, 1}.
In der klassischen Mechanik entspricht einem reinen Zustand ein Punkt (q0 , p0 )
im Phasenraum. Im Formalismus der klassischen Mechanik stehen der Realisierung eines solchen Zustands keine theoretischen (d. h. in der Struktur der Theorie gelegene), sondern nur praktische Grenzen entgegen. Versucht man einen
Zustand des Systems durch eine große Anzahl von gleich präparierten Kopien
des Systems zu realisieren, so wird es in einer realen experimentellen Situation natürlich nicht möglich sein, dass alle Kopien exakt die gleichen Werte von
(q0 , p0 ) aufweisen. Es werden vielmehr Schwankungen auftreten, die man durch
eine Wahrscheinlichkeitsverteilung ρ(q, p) im Phasenraum beschreiben kann:
Z
ρ(q, p) ≥ 0,
dq dp ρ(q, p) = 1.
Bemerkung: Bei makroskopischen Systemen mit f ∼ 1023 Freiheitsgraden ist
die Realisierung eines reinen Zustands von vornherein völlig aussichtslos.
73
4.1. KLASSISCHE MECHANIK
Der Erwartungswert der Observablen A in dem durch die Wahrscheinlichkeitsdichte ρ(q, p) beschriebenen Zustand ist
Z
hAi = dq dp ρ(q, p)A(q, p).
Realisiert man den Zustand experimentell durch N nach der gleichen Vorschrift
präparierte Kopien des Systems und misst man bei jeder die Observable A mit
den Messwerten a1 , . . . aN , so ist hAi der Erwartungswert für den gemessenen
Mittelwert Ā,
N
1 X
Ā =
an , Ā −→ hAi,
N →∞
N n=1
wobei der Limes wieder in dem früher besprochenen statistischen Sinn zu verstehen ist.
Beispiele von Zuständen:
1. Reiner Zustand: ρ(q, p) = δ(q − q0 )δ(p − p0 )1
Z
⇒ hAi =
dq dp δ(q − q0 )δ(p − p0 )A(q, p) = A(q0 , p0 ),
(∆A)2 = h(A − hAi)2 i = hA2 i − hAi2 = 0,
d. h. in einem reinen Zustand sind in der klassischen Mechanik alle
Observablen schwankungsfrei (wir wissen bereits: in der Quantenmechanik
ist das nicht der Fall!).
2. Gemischter Zustand: In einem Behälter B mit dem Volumen V befinde
sich ein ideales Gas im thermodynamischen Gleichgewicht (absolute Temperatur T ). Der Zustand eines einzelnen Gasteilchens wird durch die Wahrscheinlichkeitsverteilung
ρ(~x, ~p ) = N e−~p
2 /2mkT
beschrieben, wobei m die Masse des Teilchens und k ≃ 1.38 × 10−23 JK−1
die Boltzmannkonstante ist. Die Normierungskonstante N ist so zu wählen,
dass
Z
Z
3
d x d3 p ρ(~x, p~ ) = 1
B
R3
erfüllt ist.
1
Zustände, deren Wahrscheinlichkeitsverteilungen nicht diese Form haben, heißen gemischte
Zustände.
74KAPITEL 4. MATHEMATISCHE STRUKTUR DER QUANTENTHEORIE
Wir sehen, dass durch die Vorschrift
Z
A → hAi = dq dp ρ(q, p)A(q, p)
jeder Observablen A eine reelle Zahl hAi (der Erwartungswert von A in dem
betrachteten Zustand) zugeordnet wird. Diese Zuordnungsvorschrift hat die folgenden Eigenschaften:
1. Linearität: hc1 A1 + c2 A2 i = c1 hA1 i + c2 hA2 i, c1,2 ∈ R, A1,2 Observablen
2. Das Funktional ist nicht negativ: hA2 i ≥ 0 ∀ Observablen A
3. Normierung: h1i = 1
Man kann diese drei Eigenschaften zur abstrakten Charakterisierung eines Zustands verwenden: ein Zustand ist ein normiertes, nicht negatives lineares
Funktional auf der Observablenalgebra.
Bemerkung: Diese abstrakte Charakterisierung eines Zustands kann (fast wörtlich) auch bei der allgemeinen Definition eines Zustands in der Quantenmechanik
verwendet werden.
Bis jetzt wurden die Observablen und Zustände zu einem bestimmten, fixen Zeitpunkt betrachtet. Die Zeitentwicklung ist in der klassischen Mechanik durch die
Hamiltonschen Bewegungsgleichungen
q̇ =
∂H
,
∂p
ṗ = −
∂H
∂q
gegeben. Wir bezeichnen ihre Lösungen mit
q(t, q0 , p0 ),
p(t, q0 , p0 ),
wobei
q0 = q(0, q0 , p0 ),
p0 = p(0, q0 , p0 )
die Anfangsbedingungen zum Zeitpunkt t = 0 sind. Den Erwartungswert einer
Observablen A zum Zeitpunkt t erhält man durch
Z
hAit = dq0 dp0 ρ(q0 , p0 )A(q(t, q0 , p0 ), p(t, q0 , p0 )).
Die Wahrscheinlichkeitsverteilung ρ(q0 , p0 ) ist hier zeitunabhängig, dagegen
ist die Observable A(q(t, q0 , p0 ), p(t, q0 , p0 )) zeitabhängig. Die Aufteilung der
Zeitabhängigkeit (Observable zeitabhängig, Wahrscheinlichkeitsverteilung zeitunabhängig) bezeichnet man als Heisenbergbild.
4.2. AXIOME DER QUANTENTHEORIE
75
Wird die Zeitabhängigkeit von der Observablen auf die Wahrscheinlichkeitsverteilung übergewälzt, so spricht man vom Schrödingerbild. Zu diesem gelangt
man durch die Variablentransformation
q(t, q0 , p0 )
q
q0
,
=
→
p(t, q0 , p0 )
p
p0
wobei dq0 dp0 = dq dp gilt. Für das Integral erhält man
Z
hAit = dq dp ρ(q0 (t, q, p), p0(t, q, p)) A(q, p),
|
{z
}
ρt (q,p)
mit der zeitabhängigen Wahrscheinlichkeitsverteilung
ρt (q, p) = ρ(q0 (t, q, p), p0 (t, q, p))
und der zeitunabhängigen Funktion A(q, p). Die Größe hAit , welche die Zeitentwicklung des Erwartungswertes der Observablen A beschreibt, ist natürlich
von der Wahl des Bildes unabhängig.
Bemerkung: In der Quantenmechanik haben wir bis jetzt immer das Schrödingerbild verwendet.
4.2
Axiome der Quantentheorie
Zu jedem quantenmechanischen System gibt es einen geeigneten Hilbertraum
H, den sogenannten Zustandsraum des betrachteten Systems. Obwohl der Zustandsraum i. Allg. unendlichdimensional ist, gibt es physikalische Probleme,
bei denen nur ein endlicher Teilraum des gesamten Hilbertraums relevant ist. Um
unnötige mathematische Komplikationen zu vermeiden, wollen wir uns bei der
Formulierung der Grundpostulate der Quantentheorie auf Systeme beschränken,
die sich durch einen endlichdimensionalen Zustandsraum H (unitären Vektorraum) beschreiben lassen.
Die beobachtbaren Größen oder Observablen des betrachteten quantenmechanischen Systems werden durch die hermiteschen Elemente der Observablenalgebra L(H) repräsentiert.2 Der wesentliche Unterschied zur klassischen
Physik liegt darin, dass man es in der Quantenmechanik mit einer nichtkommutativen Obervablenalgebra zu tun hat, d. h. es gibt Operatoren A, B ∈ L(H)
mit [A, B] 6= 0.
2
In einem unendlichdemensionalen Hilbertraum würde man L(H) durch B(H), die C ∗ Algebra der beschränkten linearen Operatoren auf H, ersetzen.
76KAPITEL 4. MATHEMATISCHE STRUKTUR DER QUANTENTHEORIE
Die möglichen Messwerte der durch den hermiteschen Operator A ∈ L(H)
beschriebenen Observablen sind die Elemente des Spektrums von A (d. h. die
Eigenwerte von A). Das heißt, bei einer Messung der Observablen A kann als
Messergebnis immer nur einer der Eigenwerte a1 , . . . , an von A auftreten.
Bemerkung: Eine besondere Rolle spielen die Projektionsoperatoren, die als
hermitesche Operatoren ja ebenfalls beobachtbare Größen repräsentieren. Ist ein
hermitescher Operator durch seine Spektraldarstellung
A=
m
X
aα Pα
α=1
gegeben (m ist die Anzahl der verschiedenen Eigenwere von A), so entspricht
dem Projektor Pα (der auf den Eigenraum des Eigenwertes aα projiziert) die
Durchführung des folgenden Ja/Nein-Experiments: Erhält man bei einer Mes”
sung der Observablen A den Messwert aα ?“ Da der Projektionsoperator Pα nur
die Eigenwerte 1 und 0 besitzt, entspricht dem Eigenwert 1 die Antwort ja“ und
”
dem Eigenwert 0 die Antwort nein“.
”
Die möglichen Zustände des Systems werden durch lineare Funktionale auf
der Observablenalgebra beschrieben, die zusätzlich nicht negativ und normiert
sind. Bei einem Zustand ω handelt es sich also um eine Abbildung ω : L(H) → C
mit folgenden Eigenschaften3 :
1. ω(c1 A1 + c2 A2 ) = c1 ω(A1 ) + c2 ω(A2 ),
2. ω(A† A) ≥ 0
c1,2 ∈ C, A1,2 ∈ L(H)
∀ A ∈ L(H)
3. ω(1) = 1
Durch den Zustand ω wird jeder Observablen A ihr Erwartungswert ω(A)
zugeordnet. Für den Projektionsoperator Pα = Pα† = Pα Pα erhält man wegen der
Eigenschaft 2
pα = ω(Pα ) = ω(PαPα ) = ω Pα† Pα ≥ 0.
pα = ω(Pα ) ist die Wahrscheinlichkeit bei einer Messung der Observablen A
den Messwert aα zu erhalten, wenn sich das System in dem durch ω beschriebenen
Zustand befindet. Wegen der Vollständigkeitsrelation
m
X
Pα = 1
α=1
3
In einem unendlichdimensionalen Hilbertraum käme noch eine Stetigkeitsbedingung für ω
hinzu.
77
4.2. AXIOME DER QUANTENTHEORIE
und der Linearität und Normierung von ω erhält man
!
m
m
m
X
X
X
pα =
ω(Pα) = ω
Pα = ω(1) = 1
α=1
α=1
α=1
für die Wahrscheinlichkeit irgendeinen der Eigenwerte von A zu messen. Der
Erwartungswert von A im Zustand ω lässt sich dann, wieder unter Verwendung
der Linearität von ω, in der Form
!
m
m
m
X
X
X
aα pα
aα ω(Pα) =
ω(A) = ω
aα Pα =
α=1
α=1
α=1
schreiben. Präpariert man eine große Anzahl N von identischen Kopien des Systems alle im gleichen Zustand ω und führt dann an jeder dieser Kopien eine
Messung der Observablen A durch, so wird man Nα -mal den Messwert aα erhalten, wobei
Nα
−→ pα
N N →∞
m
P
und
Nα = N ist. Für den Mittelwert der Messwerte ergibt sich daher
α=1
m
X
m
X
Nα
aα
−→
aα pα = ω(A).
N N →∞ α=1
α=1
Beispiele von Zuständen:
1. |ψi ∈ H sei ein Einheitsvektor. Dann wird durch ω(A) = hψ|Aψi ∀ A ∈
L(H) ein reiner Zustand definiert. Man überzeugt sich leicht, dass die Eigenschaften 1-3 tatsächlich erfüllt sind. Man nennt |ψi dann den Zustandsvektor des entsprechenden reinen Zustands. Bemerkung: Der Zustandsvektor eiα |ψi beschreibt denselben Zustand. Die Menge {eiα |ψi|α ∈ R}
wird als Strahl im Hilbertraum H bezeichnet.
2. P
ω1 , ω2 , . . . , ωr seien Zustände
Pr und p1 , p2 , . . . , pr positive Zahlen mit
r
j=1 pj ωj ebenfalls ein Zustand. Man spricht
j=1 pj = 1. Dann ist ω =
in diesem Fall von einer konvexen Linearkombination von Zuständen. Insbesondere wird durch
r
X
ω(A) =
pj hψj |Aψj i ∀A ∈ L(H)
j=1
ein Zustand definiert, wenn die |ψj i (nicht notwendigerweise aufeinander
normal stehende) Zustandsvektoren (hψj |ψj i = 1) sind. Zustände, die man
nicht in der Form ω(A) = hψ|Aψi schreiben kann, heißen gemischte
Zustände.
78KAPITEL 4. MATHEMATISCHE STRUKTUR DER QUANTENTHEORIE
Man kann eine Standardform für die Beschreibung von Zuständen angeben. Da
ω(A) linear in A ist, muss sich ω(A) in der Form
X
ω(A) =
ρkl Alk
k,l
schreiben lassen, wobei Alk = hϕl |Aϕk i die Matrixelemente des Operators A
bezüglich einer beliebigen Orthonormalbasis {|ϕ1 i, . . . , |ϕn i} (n = dim H) sind.
Die Koeffizienten ρkl ∈ C kann man dann ebenfalls als die Matrixelemente eines Operators ρ ∈ L(H) bezüglich derselben Orthonormalbasis auffassen
(ρkl = hϕk |ρϕl i).
⇒
n X
n
X
ω(A) =
k=1 l=1
=
n
X
k=1
wobei die Spur eines Operators B,
Tr B =
n
X
k=1
hϕk | ρϕl ihϕl | Aϕk i
hϕk | ρAϕk i = Tr(ρA),
hϕk | Bϕk i =
n
X
Bkk
k=1
unabhängig von der gewählten Basis ist (Tr = Trace = Spur).
Bis jetzt wurde nur die Linearität von ω verwendet. Die Eigenschaft
ω A† A ≥ 0 ∀ A ∈ L(H)
liefert eine weitere Einschränkung an den Operator ρ. Nimmt man für A nämlich
den eindimensionalen Projektor A = |ϕihϕ| (wobei |ϕi ein beliebiger Einheitsvektor ist), so erhält man wegen A† A = A
hϕ | ρϕi ≥ 0.
Ergänzt man nämlich |ϕi zu einer Orthonormalbasis {|ϕi, |ϕ2i, . . . , |ϕn i} von H,
so ergibt sich
n
X
Tr ρA A = Tr (ρA) = hϕ | ρϕi hϕ | ϕi +
hϕk | ρϕi hϕ | ϕk i
| {z }
| {z }
†
1
k=2
0
= hϕ | ρϕi ≥ 0
und daher mit |ψi = c|ϕi (c ∈ C) die Aussage
hψ | ρψi ≥ 0 ∀ ψ ∈ H.
Einen Operator mit dieser Eigenschaft nennt man nicht negativ (ρ ≥ 0). Man
kann zeigen, dass die folgenden Aussagen äquivalent sind:
79
4.2. AXIOME DER QUANTENTHEORIE
1. hψ | ρψi ≥ 0 ∀ ψ ∈ H.
2. ρ ist hermitesch und alle Eigenwerte sind ≥ 0.
3. Es gibt einen Operator A ∈ L(H), sodass ρ = A† A.
Beweis:
1 ⇒ 2 : Es seien ψk und ψl zwei aufeinander orthogonal stehende Einheitsvektoren. Dann ist laut Vorraussetzung
hψk + ψl |ρ(ψk + ψl )i = ρkk + ρll +ρkl + ρlk ≥ 0
|{z} |{z}
≥0
≥0
hψk + iψl |ρ(ψk + iψl )i = ρkk + ρll +iρkl − iρlk ≥ 0
|{z} |{z}
≥0
⇒
≥0
ρkl = ρ∗lk
⇒
⇒
⇒
Im(ρkl + ρlk ) = 0,
Re(ρkl − ρlk ) = 0,
ρ = ρ† .
Ist nun χk 6= 0 ein Eigenvektor von ρ zum Eigenwert ρk , so ist
hχk |ρχk i = hχk |ρk χk i = ρk hχk |χk i ≥ 0
| {z }
⇒
ρk ≥ 0.
>0
2 ⇒ 3 : Wegen des Spektralsatzes gibt es eine Orthonormalbasis {|χ1 i, . . . , |χn i}
von Eigenvektoren von ρ mit Eigenwerten ρk ≥ 0. In der Spektraldarstellung hat
ρ die Gestalt
n
X
ρ=
ρk |χk ihχk |
k=1
Man kann hier problemlos den hermiteschen (und ebenfalls nicht negativen) Operator
n
X
√
√
ρ=
ρk |χk ihχk |
k=1
√ √
√ √
bilden und erhält ρ = ρ ρ = ( ρ)† ρ.
3 ⇒ 1 : hψ|ρ|ψi = hψ|A† Aψi = hAψ|Aψi ≥ 0.
Die Implikationskette 1 ⇒ 2 ⇒ 3 ⇒ 1 ist somit geschlossen und die Äquivalenz
von 1,2,3 gezeigt. Jede dieser drei Eigenschaften kann daher zur Definition eines
nicht negativen Operators herangezogen werden.
Es gibt also eine Orthonormalbasis {|χ1 i, . . . , |χn i} von Eigenvektoren von ρ mit
Eigenwerten ρk ≥ 0. Schließlich impliziert die Normierungsbedingung
ω(1) = Tr ρ = 1
⇒
n
X
k=1
ρk = 1.
80KAPITEL 4. MATHEMATISCHE STRUKTUR DER QUANTENTHEORIE
Der Dichteoperator
ρ=
n
X
k=1
ρk |χk ihχk | ,
ρk ≥ 0,
Tr ρ =
n
X
ρk = 1,
k=1
liefert also mit ω(A) = Tr(ρA) ∀ A ∈ L(H) die gewünschte Standardform für
die Darstellung des Zustands ω. Man kann sich also einen beliebigen Zustand
ω als statistisches Gemisch von reinen Zuständen (repräsentiert durch die
Zustandsvektoren |χk i) vorstellen, wobei |χk i mit der Wahrscheinlichkeit ρk auftritt. Ein reiner Zustand ist dadurch charakterisiert, dass alle ρk bis auf eines
verschwinden. Der Dichteoperator, der dem Zustandsvektor |ψi entspricht, ist
ρψ = |ψihψ|, also ein eindimensionaler Projektor (ρ†ψ = ρψ , ρ2ψ = ρψ ). Die Eigenschaft ρ2 = ρ charakterisiert jene Dichteoperatoren, die reinen Zuständen
entsprechen, denn in diesem Fall kann
Pn ρ nur die Eigenwerte 0, 1 besitzen und
wegen der Normierungsbedingung
k=1 ρk = 1 kann der Eigenwert 1 nur ein
einziges Mal auftreten ⇒ ρ = |ψihψ|.
Für den Erwartungswert eines Operators A in einem beliebigen (gemischten)
Zustand ergibt sich
ω(A) = Tr(ρA) =
n
X
k=1
hχk | ρAχk i =
n
X
k=1
ρk hχk | Aχk i.
Hat A die Spektraldarstellung
A=
m
X
aα Pα ,
α=1
so erhält man
ω(A) =
n X
m
X
k=1 α=1
ρk hχk | Pα χk i aα .
| {z }
pkα
Es treten hier sowohl die quantenmechanischen“ Wahrscheinlichkeiten pkα als
”
auch die klassischen“ statistischen Wahrscheinlichkeiten ρk auf. pkα ist die Wahr”
scheinlichkeit bei einer Messung der Observablen A in dem durch den Zustandsvektor |χk i beschriebenen reinen Zustand den Messwert aα zu erhalten. Dagegen
ist ρk die Wahrscheinlichkeit in dem gemischten Zustand ω den durch |χk i beschriebenen reinen Zustand vorzufinden. Die Wahrscheinlichkeit bei einer Messung von A im Zustand ω den Messwert aα zu erhalten, ist daher
ω (Pα ) =
n
X
k=1
ρk hχk | Pα χk i =
n
X
k=1
ρk pkα .
81
4.2. AXIOME DER QUANTENTHEORIE
Ist ωψ ein reiner Zustand (mit Dichteoperator ρψ = |ψihψ|), so vereinfachen sich
die Formeln:
ωψ (A) = hψ | Aψi =
ωψ (Pα ) = hψ | Pα ψi.
m
X
α=1
hψ | Pα ψiaα ,
Verwendet man die Spektraldarstellung
Pα =
dα
X
r=1
|α, rihα, r|
des Projektors auf den Eigenraum Mα , so kann man auch schreiben:
ωψ (Pα ) =
dα
X
r=1
hψ | α, rihα, r | ψi =
dα
X
r=1
|hα, r | ψi|2 .
Ist dα = 1, so hat man einfach ωψ (Pα ) = |hα|ψi|2.
Beispiele für Dichteoperatoren gemischter Zustände:
1. Sei dim H = n, dann beschreibt der Dichteoperator ρ = 1/n den Zustand
mit maximaler Mischung.
2. Wir betrachten ein System mit dem Hamiltonoperator H. Befindet sich dieses System im thermischen Gleichgewicht mit einem Wärmebad“ der
”
absoluten Temperatur T , so wird der entsprechende Zustand des Systems
durch den Dichteoperator
ρ=
e−H/kT
Tr e−H/kT
beschrieben.
Ist {|ϕ1 i, . . . , |ϕn i} eine Orthonormalbasis von Eigenvektoren von H,
H|ϕk i = Ek |ϕk i,
hϕk |ϕl i = δkl ,
n
X
k=1
|ϕk ihϕk | = 1,
so ist die Spektraldarstellung des Dichteoperators durch
ρ=
n
X
e−El /kT
l=1
gegeben.
Z
|ϕl ihϕl | ,
Z=
n
X
l=1
e−El /kT
82KAPITEL 4. MATHEMATISCHE STRUKTUR DER QUANTENTHEORIE
Bemerkung: Es seien |ψ1 i und |ψ2 i zwei aufeinander normal stehende Einheitsvektoren. Der Dichteoperator
1
1
1
1
|ψ1 + ψ2 ihψ1 + ψ2 | = |ψ1 ihψ1 | + |ψ2 ihψ2 | + |ψ1 ihψ2 | + |ψ2 ihψ1 |
2
2
2
{z
}
|2
Interferenzterm
beschreibt einen reinen Zustand mit dem Zustandsvektor
1
√ |ψ1 i + |ψ2 i ,
2
also eine Superposition von |ψ1 i und |ψ2 i. Dagegen beschreibt der Dichteoperator
1
1
|ψ1 ihψ1 | + |ψ2 ihψ2 |
2
2
einen gemischten Zustand, in dem |ψ1 i und |ψ2 i jeweils mit der Wahrscheinlichkeit 1/2 auftreten. Die beiden Fälle nicht verwechseln!
Die allgemeine Form der Unschärferelation für beliebige Zustände ω,
i
∆ω A ∆ω B ≥ ω [A, B] 2
(∆ω A)2 = ω (A − ω(A)1)2 = ω(A2 ) − ω(A)2,
(∆ω B)2 = ω (B − ω(B)1)2 = ω(B 2 ) − ω(B)2,
beweist man völlig analog wie früher für reine Zustände.
Ist ein Zustandsvektor |ψi ein Eigenvektor einer Observablen A, (A|ψi = a|ψi),
so ist die Obervable A in diesem Zustand schwankungsfrei. Als Messwert tritt
in diesem Fall ja immer nur der Eigenwert a auf. Gibt es zu einem Eigenwert
aα von A mehrere linear unabhängige Eigenvektoren |α, ri (r = 1, . . . k ≥ 2),
so kann man auch gemischte Zustände konstruieren, die bei jeder Messung der
Observablen A stets den Messwert aα ergeben,
ρ=
dα
X
r=1
pr |α, rihα, r|,
dα
X
pr = 1
r=1
⇒ Aρ = ρA = aα ρ,
denn
Tr(ρPα ) = Tr ρ
dα
X
r=1
|α, rihα, r| = Tr
dα
X
r=1
pr |α, rihα, r| =
dα
X
pr = 1,
r=1
d. h. die Wahrscheinlichkeit bei einer Messung der Observablen A den Messwert
aα zu erhalten ist 1.
83
4.2. AXIOME DER QUANTENTHEORIE
Hat umgekehrt ein Zustand ω die Eigenschaft ∆ω (A) = 0 für eine bestimmte
Observable A, dann erfüllt der dazugehörige Dichteoperator
ρ=
n
X
k=1
ρk |χk ihχk |
die Beziehung Aρ = ρA = aρ, wobei a der Messwert von A im Zustand ω ist.
Zum Beweis betrachten wir einen hermiteschen Operator B = B † mit ω(B 2 ) = 0.
Dann gilt
2
0 = Tr(ρB ) =
n
X
k=1
2
ρk hχk |B χk i =
⇒ B|χk i = 0 ∀ k mit ρk 6= 0
n
X
k=1
ρk hBχk |Bχk i,
n
X
ρk = 1
k=1
⇒ Bρ = ρB = 0.
Mit B = A − ω(A) folgt daraus die Behauptung.
In der klassischen Mechanik gibt es Zustände, in denen alle Observablen schwankungsfreie Messwerte liefern.4 In der Quantentheorie ist das wegen der Nichtkommutativität der Observablenalgebra nicht der Fall, denn angenommen es gäbe
einen Zustandvektor5 |ψi in einem mindestens zweidimensionalen Hilbertraum
H mit ∆ψ (A) = 0 ∀ A = A† ∈ L(H). In diesem Fall wäre daher |ψi ein Eigenvektor aller A = A† ∈ L(H). Dies führt aber sofort auf einen Widerpruch. Wegen
dimH ≥ 2 gibt es nämlich einen Einheitsvektor |ϕi, der auf |ψi normal steht. Bildet man nun den hermiteschen Operator A = |ψihϕ| + |ϕihψ|, so stellt man fest,
dass A|ψi = |ϕi gilt und somit |ψi kein Eigenvektor von A ist. Dementsprechend
erhält man ∆ψ A = 1 6= 0.
Im Rahmen der klassischen Mechanik nimmt man an, dass die Störung des Systems durch einen Messvorgang beliebig klein gemacht werden kann, sodass der
ursprüngliche Zustand (im Idealfall) durch die Messung nicht geändert wird. In
der Quantenmechanik lässt sich diese Fiktion nicht mehr aufrecht erhalten und es
kommt zu einer Änderung des Zustands durch den Messprozess. Wir haben diese
Zustandsreduktion“ bereits früher am Beispiel einer Ortsmessung (Befindet sich
”
das Teilchen im Gebiet V ?) besprochen.
Wir wollen nun den allgemeinen Fall der Zustandsreduktion bei der Messung
einer Observablen A diskutieren. Das betrachtete physikalische Systems befinde
sich vor der Messung im Zustand ω mit dazugehörigem Dichteoperator ρ. Der
Operator A habe die Spektraldarstellung
A=
m
X
α=1
4
5
aα Pα ,
aα 6= aβ f ür α 6= β.
Dies gilt in der klassischen Mechanik für alle reinen Zustände.
Verallgemeinern Sie den Beweis auf den Fall eines gemischten Zustands.
84KAPITEL 4. MATHEMATISCHE STRUKTUR DER QUANTENTHEORIE
Ist das Messresultat der Eigenwert aα , so wird der Zustand des Systems nach
der Messung durch den Dichteoperator
ρ′ =
Pα ρPα
Pα ρPα
=
Tr(Pα ρPα )
Tr(ρPα )
beschrieben (von Neumannsches Projektionspostulat).
Aufgabe: Überprüfen Sie, dass ρ′ tatsächlich die von einem Dichteoperator geforderten Eigenschaften besitzt.
Das mit dem Dichteoperator ρ′ verknüpfte Zustandsfunktional ω ′ hat die Form
ω ′ (O) = Tr(ρ′ O) =
Tr(Pα ρPα O)
Tr(ρPα OPα)
ω(Pα OPα)
=
=
,
Tr(ρPα )
Tr(ρPα )
ω(Pα )
O ∈ L(H).
Aufgabe: Überzeugen Sie sich davon, dass die Abbildung O → ω ′ (O) tatsächlich
alle Eigenschaften eines Zustands besitzt.
4.3
Schrödingerbild und Heisenbergbild
Im Schrödingerbild wird die Zeitenwicklung eines Zustandsvektors ψS (t)
durch die Schrödingergleichung
i~
d ψS (t) = H ψS (t) ,
dt
H ≡ HS
beschrieben. Die Lösung der Schrödingergleichung ist dann (wenn H zeitlich konstant ist) durch
ψS (t) = exp(−iHt/~) ψS (0)
gegeben. Da H hermitesch ist, ist der hier auftretende Operator
US (t) = exp(−iHt/~)
unitär, woraus folgt, dass sich die Norm des Zustandsvektors nicht ändert,
ψS (t)ψS (t) = ψS (0)ψS (0) .
Beschreibt man den dem Vektor ψS (t) entsprechenden reinen Zustand durch
den Dichteoperator
ρψ(t) = ψS (t) ψS (t),
so liest man die Zeitentwicklung
ρψ(t) = exp(−iHt/~) ρψ(0) exp(iHt/~)
85
4.3. SCHRÖDINGERBILD UND HEISENBERGBILD
ab. Diese Formel für die Zeitentwicklung,
ρS (t) = exp(−iHt/~) ρS (0) exp(iHt/~)
gilt auch ganz allgemein für Dichteoperatoren ρS (t), die gemischten Zuständen
entsprechen. Differenziert man die letzte Gleichung nach der Zeit, so erhält man
die von Neumann-Gleichung
i~
dρS (t)
= [H, ρS (t)].
dt
Mit ihrer Hilfe kann die Zeitentwicklung eines gemischten Zustands auch dann
beschrieben werden, wenn der Hamiltonoperator explizit von der Zeit abhängt.
Eine Observable A wird im Schrödingerbild durch den zeitunabhängigen Operator AS beschrieben. Den Erwartungswert dieser Observablen zum Zeitpunkt t
berechnet man durch
ωt (A) = Tr ρS (t)AS .
Diesen Ausdruck kann man folgendermaßen umformen:
ωt (A) = Tr ρS (t)AS = Tr e−iHt/~ ρS (0)eiHt/~ AS = Tr ρS (0) eiHt/~ AS e−iHt/~ ,
{z
}
| {z } |
ρH
AH (t)
wobei wir im letzten Schritt Tr(XY ) = Tr(Y X) verwendet haben. Auf diese Weise sind wir zum Heisenbergbild mit einem zeitunabhängigen Dichteoperator
ρH = ρS (0)
und einem zeitabhängigen Operator
AH (t) = eiHt/~ AS e−iHt/~ = eiHt/~ AH (0)e−iHt/~
geführt worden, welcher der Heisenbergschen Bewegungsgleichung
i
dAH (t)
= [H, AH (t)]
dt
~
gehorcht. Es gilt HH (t) = HH (0) = HS ≡ H, d. h. der Hamiltonoperator ist
zeitlich konstant, was der Erhaltung der Gesamtenergie entspricht. Allgemein sind
alle Operatoren, die mit dem Hamiltonoperator vertauschen zeitlich konstant
und somit Erhaltungsgrößen.
Die kanonische Vertauschungsrelation für Ort und Impuls garantiert, dass die
Heisenbergschen Bewegungsgleichungen für die Heisenbergoperatoren XH (t) und
PH (t) die gleiche Form haben wie in der klassischen Mechanik. Zunächst
86KAPITEL 4. MATHEMATISCHE STRUKTUR DER QUANTENTHEORIE
einmal wissen wir bereits, dass der Hamiltonoperator im Heisenbergbild zeitunabhängig ist,
H = HH (t) = PH (t)2 /2m + V X(t)
= HH (0) = PH (0)2 /2m + V X(0) .
Die Heisenbergsche Bewegungsgleichung für den Ortsoperator ergibt
ẊH (t) =
=
=
i
HH (t), XH (t)
~
i
PH (t)2 /2m + V (XH (t)), XH (t)
~
i
PH (t)2 /2m, XH (t) ,
~
andererseits ist der Kommutator
XH (t), PH (t) = eiHt/~ XH (0)e−iHt/~ , eiHt/~ PH (0)e−iHt/~
= eiHt/~ XH (0), PH (0) e−iHt/~ = i~1
{z
}
|
i~1
unabhängig von t. Da aber
[P 2 , X] = −2i~P
ist, folgt
ẊH (t) = PH (t)/m,
was nichts anderes als die klassische Beziehung zwischen Geschwindigkeit und
Impuls ist. Durch eine analoge Rechnung erhält man die klassische Bewegungsgleichung
ṖH (t) = −V ′ XH (t) .
4.4
Zweidimensionaler Zustandsraum
In einem zweidimensionalen Hilbertraum H können wir das einfachste quantenmechanische System studieren, das dennoch nichttriviale physikalische Anwendungen besitzt.
Wir wählen eine Orthononormalbasis {| ↑i, | ↓i} von H, d. h.
h↑ | ↑i = h↓ | ↓i = 1,
h↑ | ↓i = 0,
| ↑ih↑ | + | ↓ih↓ | = 1.
4.4. ZWEIDIMENSIONALER ZUSTANDSRAUM
87
Jeder Vektor |ψi ∈ H kann als Linearkombination der Basisvektoren geschrieben
werden,
|ψi = | ↑i h↑ |ψi +| ↓i h↓ |ψi,
| {z }
| {z }
c↑
c↓
wobei die Entwicklungskoeffizienten c↑ , c↓ ∈ C eindeutig bestimmt sind. Das Skalarprodunkt mit einem zweiten Vektor |χi = | ↑ib↑ + | ↓ib↓ ergibt
hχ|ψi = b∗↑ c↑ + b∗↓ c↓ ,
was bedeutet, dass jeder zweidimensionale komplexe Hilbertraum isomorph zu
U 2 ist:
c↑
.
|ψi ∈ H ↔
c↓
Dementsprechend kann jeder beliebige Operator
A = A↑↑ | ↑ih↑ | + A↑↓ | ↑ih↓ | + A↓↑ | ↓ih↑ | + A↓↓ | ↓ih↓ | ∈ L(H)
durch seine Matrixdarstellung
A↑↑ A↑↓
,
A↓↑ A↓↓
Ars ∈ C
bezüglich der Orthonormalbasis {| ↑i, | ↓i} repräsentiert werden. Die hermiteschen Matrizen
1 0
0 −i
0 1
1 0
, σ3 =
, σ2 =
, σ1 =
12 =
0 −1
i 0
1 0
0 1
bilden ein Basissystem für komplexe 2 × 2-Matrizen, d. h. jede 2 × 2-Matrix kann
eindeutig in der Form
a0 12 +
3
X
k=1
ak σk = a0 12 + ~a · ~σ
(a0 , a1 , a2 , a3 ∈ C) geschrieben werden. σ1 , σ2 , σ3 sind die Paulischen Spinmatrizen. Sie erfüllen die Vertauschungsrelationen
[σk , σl ] = 2i
3
X
ǫklm σm
m=1
und die Antivertauschungsrelationen
σk σl + σl σk = 2δkl 12 .
Aus Trσk = 0 und det σk = −1 folgt, dass σk die Eigenwerte ±1 besitzt.
88KAPITEL 4. MATHEMATISCHE STRUKTUR DER QUANTENTHEORIE
Eine Dichtematrix kann man in der allgemeinen Form
ρ=
1
12 + ~n · ~σ
2
(n1 , n2 , n3 ∈ R) schreiben, wodurch bereits Trρ = 1 und ρ† = ρ erfüllt sind. Die
Eigenschaft ρ ≥ 0 gibt eine weitere Einschränkung. Dazu bestimmen wir die
Eigenwerte ρ1,2 von
1 1 + n3 n1 − in2
ρ=
.
2 n1 + in2 1 − n3
Aus
1
Trρ = ρ1 + ρ2 = 1 und det ρ = ρ1 ρ2 = (1 − ~n2 ) ≥ 0
4
2
folgt, dass ~n ≤ 1 die Nichtnegativität von ρ garantiert und die Eigenwerte durch
1
ρ1,2 = (1 ± |~n|)
2
gegeben sind. Man kann sich also die Menge aller Zustände in einem zweidimensionalen Hilbertraum als Vollkugel mit Radius 1 (Blochkugel) vorstellen. Den
reinen Zuständen entsprechen die Punkte auf der Oberfläche der Blochkugel,
denn für |~n| = 1 sind die Eigenwerte von ρ gerade 0 und 1. Dem Mittelpunkt
der Kugel (~n = 0) entspricht der Zustand maximaler Mischung,
1
ρ = 12 ,
2
1
ρ1 = ρ2 = .
2
Aufgabe: Zeigen Sie, dass der Erwartungswert einer Observablen
A = a0 12 +~a ·~σ
1
(ak ∈ R) in dem durch die Dichtematrix ρ = 2 12 + ~n · ~σ beschriebenen Zustand
durch
ha0 12 + ~a · ~σ i = a0 + ~n · ~a
gegeben ist.
Bemerkung: Ein reiner Zustand (|~n| = 1) wird durch die Dichtematrix
1 1 + n3 n1 − in2
= χ~n χ~†n , |~n| = 1
ρ=
2 n1 + in2 1 − n3
beschrieben. Wir bestimmen den normierten Eigenvektor χ~n von ρ zum Eigenwert 1:
!


1
+
n
3


√ 1
für n3 6= −1

 2(1+n3 ) n1 + in2
!
χ~n =
.

0



für n3 = −1

1
4.4. ZWEIDIMENSIONALER ZUSTANDSRAUM
Einige Spezialfälle:
(a1 )
(a2 )
(b1 )
(b2 )
(c1 )
(c2 )
~n = ~e3 −→ χ~e3
1
=
←→ | ↑i
0
~n = −~e3 −→ χ−~e3
~n = ~e1 −→ χ~e1
1
=√
2
~n = −~e1 −→ χ−~e1
~n = ~e2 −→ χ~e2
0
←→ | ↓i
=
1
1
1
1
←→ √ | ↑i − | ↓i
=√
2 −1
2
1
=√
2
~n = −~e2 −→ χ−~e2
1
1
←→ √ | ↑i + | ↓i
1
2
1
1
←→ √ | ↑i + i| ↓i
i
2
1
1
1
←→ √ | ↑i − i| ↓i
=√
2 −i
2
89
90KAPITEL 4. MATHEMATISCHE STRUKTUR DER QUANTENTHEORIE
Kapitel 5
Spin 1/2
Das Spin 1/2-System dient zur Illustration der Quantenphysik in einem zweidimensionalen Zustandsraum. Ein Spin ist in der Regel mit einem magnetischen
Moment verbunden, was in einem äußeren Magnetfeld zu einer Energieaufspaltung führt. Räumliche Drehungen eines Spin 1/2-Zustands werden durch SU(2)Transformationen beschrieben. Der Stern-Gerlach-Versuch und die Molekularstrahlmethode von Rabi werden diskutiert.
5.1
Spinmatrizen
Sieht man von den räumlichen Freiheitsgraden eines Teilchens mit Spin 1/2
(Eigendrehimpuls ~/2) ab, so können die verbleibenden Spinfreiheitsgrade in einem zweidimensionalen Zustandsraum beschrieben werden. Die Komponenten
~ werden durch die drei Paulimatrizen
S1 , S2 , S3 des Spindrehimpulsvektors S
dargestellt:
~
Sk = σk ,
1 ≤ k ≤ 3.
2
Die Spinkomponente bezüglich einer beliebigen räumlicher Richtung ~a (|~a| = 1)
wird durch die hermitesche Matrix
3
~
~X
~
ak σk =
~a · ~σ =
2
2 k=1
2
a3
a1 − ia2
a1 + ia2
−a3
beschrieben. Da die Spur dieser Matrix verschwindet und ihre Determinante
gleich −~2 /4 ist, sind ihre Eigenwerte ±~/2. Bei einer Messung des Spins in
einer durch den Einheitsvektor ~a vorgegebenen Richtung, können also nur die
Messwerte +~/2 oder −~/2 auftreten (daher Spin 1/2“).
”
91
92
KAPITEL 5. SPIN 1/2
Wir diskutieren einige Beispiele:
S3 =
~/2
0
0 −~/2
ist der Operator der Spinkomponente in Richtung der 3-Achse. Als Orthonormalbasis von Eigenvektoren dieser Observablen findet man die bereits in Abschnitt
4.4 eingeführten Vektoren
~
1
, S3 χ~e3 = χ~e3 ,
χ~e3 =
0
2
χ−~e3 =
0
1
~
S3 χ−~e3 = − χ−~e3 .
2
,
Die Spinkomponente in Richtung der 1-Achse wird durch die Matrix
0 ~/2
S1 =
~/2 0
dargestellt. Die dazugehörige Orthonormalbasis von Eigenvektoren lautet jetzt
1
~
1
χ~e1 = √
, S1 χ~e1 = χ~e1 ,
2
2 1
χ−~e1
1
= √
2
1
−1
,
~
S1 χ−~e1 = − χ−~e1 .
2
Wie wir bereits wissen, wird ein Zustand in einem zweidimensionalen Hilbertraum
durch eine Dichtematrix mit der allgemeinen Form
ρ=
1
12 + ~n · ~σ ,
2
|~n| ≤ 1
beschrieben. Wir wollen nun für die Observablen
~ = ~ ~a · ~σ ,
A = ~a · S
2
A2 =
P± =
~2
12 ,
4
12 ± ~a · ~σ
2
|~a| = 1,
93
5.1. SPINMATRIZEN
die Erwartungwerte und Schwankungen im Zustand ρ berechnen. Mit Hilfe der
allgemeinen, in Abschnitt 4.4 angegebenen Formel für die Berechnung eines Erwartungswertes finden wir:
~
~
hAi = Tr(ρA) = ~a · ~n = |~n| cos θ,
2
2
0 ≤ θ ≤ π,
~2
~2
1 − |~n|2 cos2 θ
⇒ hA2 i − hAi2 =
4
4
q
~
1 − |~n|2 cos2 θ
⇒ ∆A =
2
hA2 i =
1
1
hP± i = Tr(ρP± ) = (1 ± ~a · ~n) = 1 ± |~n| cos θ ,
2
2
hP±2 i − hP± i2 = hP± i − hP± i2 =
⇒ ∆P± =
1
2
q
1
1 − |~n|2 cos2 θ
4
1 − |~n|2 cos2 θ
Für den Spezialfall eines reinen Zustands (|~n| = 1),
!


1 + n3

1

√
für n3 =
6 −1

 2(1+n3 ) n1 + in2
†
!
,
ρ = χ~n χ~n , χ~n =

0



für n3 = −1

1
erhält man
hAi =
hP+ i =
hP− i =
∆P± =
~
cos θ,
2
∆A =
~
sin θ
2
1
θ
1 + cos θ = cos2
2
2
θ
1
1 − cos θ = sin2
2
2
1
sin θ
2
Schließlich geben wir die entsprechenden Größen noch für den Fall maximaler
94
KAPITEL 5. SPIN 1/2
Mischung (~n = 0, Dichtematrix ρ = 12 /2) an:
hAi = 0,
hP± i =
5.2
1
,
2
∆A =
~
,
2
1
∆P± = .
2
Magnetisches Moment
Ein Spindrehimpuls ist in der Regel mit einem magnetischen Moment µ
~ = µ~σ
~
verbunden. In einem äußeren Magnetfeld B wird dieses System daher durch den
Hamiltonoperator
~
H = −~µ · B
~ = B~e3 , so
beschrieben. Legt man die 3-Achse in Richtung des Magnetfeldes, B
ist der Hamiltonoperator diagonal,
−µB
0
,
H = −µBσ3 =
0
+µB
mit Eigenwerten und Eigenvektoren
E↑ = −µB,
E↓ = +µB,
χ↑ =
1
0
,
χ↓ =
0
1
.
Befindet sich ein solches magnetisches Moment im thermodynamischen Gleichgewicht im Kontakt mit einem Wärmebad der absoluten Temperatur T , so wird
der Zustand dieses Systems durch die Dichtematrix
µB/kT
1 −H/kT
1
e
0
ρ= e
=
0
e−µB/kT
Z
Z
beschrieben. Dabei garantiert die Zustandssumme
Z = Tr e−H/kT = eµB/kT + e−µB/kT = 2 cosh
µB
kT
die korrekte Normierung des Zustands. Der Erwartungswert der Komponente des
magnetischen Moments in Richtung des Magnetfeldes,
Tr(ρµ3 ) = µ tanh
µB
,
kT
spielt in der Theorie des Paramagnetismus (→ T4) eine wichtige Rolle.
95
5.3. DREHUNGEN IM RAUM
5.3
Drehungen im Raum
Wir beschreiben eine (aktive) Drehung im dreidimensionalen Raum durch den
Drehwinkel α und die Drehachse ~n (|~n| = 1), wobei die Rechtsschraubenregel
gelten soll. Wir fassen beide Größen im Drehvektor α
~ = α~n zusammen.
Wird nun ein Spin 1/2-System einer derartigen räumlichen Drehung unterworfen,
so ändert sich der ursprüngliche Zustandsvektor (Spinor) ψ ∈ C2 gemäß
~
ψ ′ = e−i~α·S/~ ψ = e−i~α·~σ/2 ψ,
wobei
U(~
α) = e−i~α·~σ/2
eine sogenannte SU(2)-Matrix ist. Unter SU(2) versteht man die spezielle unitäre
Gruppe der komplexen 2 × 2-Matrizen. Speziell“ bedeutet in diesem Zusammen”
hang, dass die Determinante einer solchen Matrix gleich 1 ist.
Aufgabe: Überzeugen Sie sich davon, dass SU(2) mit der Matrixmultiplikation
als Verknüpfungsvorschrift tatsächlich eine Gruppe bildet.
Bemerkungen:
1. Dass U(~
α) ∈ SU(2) ist, kann man so sehen: Da α
~ ·~σ eine hermitesche Matrix
ist, ist exp(−i~
α ·~σ/2) klarerweise unitär. Weiters besitzt α
~ ·~σ die Eigenwerte
±|~
α|, somit U(~
α) die Eigenwerte exp(±i|~
α|/2) und daher ist det U(~
α) = 1.
2. Durch eine geeignete Wahl von α
~ kann man jedes Element der SU(2) in der
Form U(~
α) schreiben.
3. Man beachte, dass U(2π~n) = −12 ist und erst U(4π~n) = 12 ergibt.
4. Die Matrizen {Xk = −iσk /2, k = 1, 2, 3} bilden eine Basis der definierenden Darstellung der Liealgebra der SU(2). (Diese wird manchmal auch
als su(2) bezeichnet.) Unter einer Liealgebra versteht man einen (reellen)
Vektorraum L, in dem neben der Vektoraddition und der Multiplikation mit Skalaren eine weitere Verknüpfung X ◦ Y ∈ L von Elementen
X, Y ∈ L definiert ist, welche X ◦ Y = −Y ◦ X und die Jacobiidentität (X ◦ Y ) ◦ Z + (Y ◦ Z) ◦ X + (Z ◦ X) ◦ Y = 0 erfüllt. Im Fall der
su(2) ist X ◦ Y = [X, Y ]. Der Kommutator zweier Matrizen ist klarerweise antisymmetrisch und auch die Jacobiidentität ist trivialerweise erfüllt.
Im Fall der su(2) erfüllen die Basiselemente Xk die Kommutatorrelationen [Xk , Xl ] = ǫklm Xm , der ǫ-Tensor ist der Strukturkonstantentensor der su(2). Durch Exponentiation von Elementen der Liealgebra gelangt man zu den Elementen der dazugehörigen Liegruppe, also z. B.
~ ∈ SU(2).
U(~
α) = exp α
~ ·X
96
KAPITEL 5. SPIN 1/2
Eine Drehung um den Winkel α
~ lässt sich auch aus N hintereinander ausgeführten
Drehungen um den Winkel α
~ /N erhalten,
U(~
α) = U(~
α/N)N .
Im Grenzfall N → ∞ erhält man die Formel
~
−i~
α·S/~
e
= lim
N →∞
~
α
~ S
12 − i ·
N ~
!N
.
Bei einer Drehung um den infinitesimalen Drehwinkel ~ε transformiert ein Spinor
gemäß
′
~
ψ ≃ 12 − i~ε · S/~ ψ.
Die Generatoren Sk der räumlichen Drehungen erfüllen die Kommutatorrelationenen der Drehimpulsalgebra:
[Sk , Sl ] = i~ǫklm Sm .
Die Dichtematrix ρψ = ψψ † eines reinen Zustands hat bei einer räumlichen Drehung das Transformationsverhalten
~
~
ρψ = ψψ † → ρψ′ = ψ ′ ψ ′† = e−i~α·S/~ ψψ † ei~α·S/~ ,
woraus wir die allgemeine Transformationsformel für eine Dichtematrix folgern:
~
~
ρ → ρ′ = e−i~α·S/~ ρei~α·S/~ .
Bei expliziten Rechnungen ist es oft vorteilhaft, die Formel
e−i~α·~σ/2 = 12 cos
α
~
|~
α|
|~
α|
−i
· ~σ sin
2
|~
α|
2
zu verwenden. Schreibt man ρ in der Standardform
ρ=
so ist
1
12 + ~n · ~σ ,
2
|~n| ≤ 1,
1
12 + ~n′ · ~σ
2
′
durch ~n = R(~
α)~n gegeben. Dabei ist R(~
α) ∈ SO(3) die der Drehung um den
Winkel α
~ entsprechende Drehmatrix im R3 .
ρ′ =
97
5.3. DREHUNGEN IM RAUM
Wir werden uns von der Richtigkeit dieser Beziehung nur für eine infinitesimale
Drehung ~ε überzeugen. (Eine endliche Drehung kann man sich aus infinitesimalen
Drehungen zusammengesetzt denken.)
ρ′ = (12 − i~ε · ~σ /2) ρ (12 + i~ε · ~σ /2)
=
=
12 + ~n · ~σ
12 − i~ε · ~σ /2
12 + i~ε · ~σ /2
2
12 + ~n′ · ~σ
,
~n′ = ~n + ~ε × ~n
2
~ zeigt tatsächlich das Transformationsverhalten
Der Erwartungswert von S
~ = Tr(ρS)
~ + ~ε × Tr(ρS)
~
Tr(ρ′ S)
eines räumlichen Vektors bei einer Drehung um den infinitesimalen Winkel ~ε (vgl.
Abb. 5.1).
~ε × ~x
~ε 6
yXX
X
x
~
R(~ε ) ~x = ~x + ~ε × ~x
Abbildung 5.1: Transformation eines Vektors ~x bei einer infinitesimalen Drehung.
Schließlich illustrieren wir noch das Transformationsverhalten von Spinoren durch
das folgende Beispiel. Ein in 3-Richtung polarisierter Spin soll in die Richtung
~n = sin θ(cos ϕ ~e1 + sin ϕ ~e2 ) + cos θ ~e3
gedreht werden. Wir bewerkstelligen das durch eine Drehung um den Winkel θ
um die 2-Achse, gefolgt von einer Drehung um den Winkel ϕ um die 3-Achse:
!
θ
cos
1
2
.
= e−iϕ/2
e−iϕσ3 /2 e−iθσ2 /2
θ iϕ
0
sin 2 e
Bis auf den Phasenfaktor e−iϕ/2 , ist dieser Spinor tatsächlich identisch mit
1
1 + n3
χ~n = p
2(1 + n3 ) n1 + in2
= p
1
2(1 + cos θ)
1 + cos θ
sin θ eiϕ
=
cos 2θ
.
sin 2θ eiϕ
98
5.4
KAPITEL 5. SPIN 1/2
Experiment von Stern und Gerlach
Im Jahre 1922 wurde von Otto Stern und Walther Gerlach ein Versuch durchgeführt, der - im Rückblick - den Eigendrehimpuls ±~/2 des Elektrons nachwies,
zunächst jedoch (aufgrund des Bohrschen Atommodells) anders interpretiert wurde.
Der schematische Aufbau des Experiments ist in Abb. 5.2 dargestellt. In einem
Ofen wird Silberdampf erzeugt. Dieser tritt durch zwei Blenden hindurch, wodurch man einen Strahl von Silberatomen erhält, der knapp an der scharfen
Schneide eines Magnetenpols vorbeiläuft. Der andere Pol des Magneten ist breiter
ausgeführt, wodurch im Strahlbereich ein stark inhomogenes Magnetfeld herrscht.
Am Ende des Magneten befindet sich eine Glasplatte, auf der sich die Silberatome niederschlagen. Beobachtet wird eine Aufspaltung des Atomstrahls in zwei
Teilstrahlen.
Abbildung 5.2: Schematischer Aufbau des Stern-Gerlach-Versuchs (Quelle:
de.wikipedia.org/wiki/Stern-Gerlach-Versuch).
Wir interpretieren das Ergebnis des Experiments aus heutiger Sicht: Das AgAtom besitzt ein magnetisches Moment. Bezüglich der genauen Definition
eines magnetischen Moments wird auf T3 verwiesen. Wir müssen nur wissen,
~ die Energie
dass ein magnetisches Moment ~µ in einem äußeren Magnetfeld B
~ besitzt. Auf das magnetische Magnet wirkt dann ein Drehmoment
E = −~µ · B
~
~
~ µ · B)
~ = ∇(~
~ µ · B).
~ Letztere macht sich nur
M = ~µ × B und eine Kraft F~ = −∇(−~
in einem inhomogenen Magnetfeld bemerkbar.
Woher stammt nun das magnetische Moment des Silberatoms? Um diese Frage zu
5.4. EXPERIMENT VON STERN UND GERLACH
99
beantworten, müssen wir einige Grundtatsachen über den Zusammenhang zwischen dem Drehimpuls eines (Elementar-) Teilchens mit Masse m und Ladung q
und seinem magnetischen Moment wissen. Wir betrachten zunächst nur den Beitrag des Bahndrehimpulses zum magnetischen Moment des Teilchens. Dieser
ist durch die Beziehung
q ~
L
~µ =
2mc
gegeben. Handelt es sich um ein Elektron, so ist die charakteristische Größe das
Bohrsche Magneton
e~
µB =
e = −qe− .
2mc
Der Zusammenhang zwischen dem magnetischen Moment und dem Spin eines
~ = 0) ist durch die Formel
Elektrons (mit Bahndrehimpuls L
~µe = ge
~σ
−e ~
S = −ge µB
2me c
2
gegeben, wobei
ge = 2 + α/π + O(α2 ).
Der Wert ge = 2 folgt aus der Diracgleichung, die weiteren Terme sind quantenelektrodynamische Korrekturen (α ≃ 1/137 ist die Feinstrukturkonstante). Die
Einschleifenkorrektur α/π wurde 1948 von Julian Schwinger berechnet.
Bei Nukleonen (p, n) gibt es einen analogen Zusammenhang zwischen magnetischem Moment und Spin,
e ~
~µ = g
S,
2mp c
allerdings ist das nukleare Magneton e/2mp c um den Faktor me /mp ≃ 1/2000
kleiner als das Bohrsche Magneton. Wegen der Substruktur der aus Quarks und
Gluonen aufgebauten Nukleonen sind die entsprechenden g-Faktoren nicht mehr
nahe bei 2, sondern man findet gp = 2 × 2.79 und gn = 2 × (−1.91).
Da ein Ag-Atom (Kernladungszahl Z = 47) im Grundzustand den Gesamtbahndrehimpuls L = 0 und den Gesamtdrehimpuls J = 1/2 besitzt (2S+1LJ = 2S1/2 ),
hat man es im Endeffekt mit dem magnetischen Moment eines ungepaarten
Elektrons zu tun. Dieses vollführt wegen
~˙ = ~µ × B
~
S
eine Präzessionsbewegung um die Richtung des Magnetfeldes. Approximiert man
das Magnetfeld im Strahlbereich durch die lineare Näherung
~ x) ≃ (B0 + ax3 )~e3 − ax1~e1 ,
B(~
100
KAPITEL 5. SPIN 1/2
so wirkt auf das Atom die Kraft
~ µ · B)
~ = a(µ3~e3 − µ1~e1 ).
∇(~
Wegen der Präzessionsbewegung um die 3-Achse bleibt im Zeitmittel nur
hF~ i = ~e3 aµ3 = ~e3
∂B3
µ3
∂x3
übrig. Somit gestattet der Stern-Gerlach-Versuch eine Messung der Komponente
des magnetischen Moments parallel zum Magnetfeld B0~e3 .
Aufgaben:
1. Im Versuch von Stern und Gerlach wird Silber in einem Ofen der Temperatur T verdampft. Geben Sie das mittlere
Geschwindigkeitsquadrat h~v 2 i
p
eines Silberatoms an. Berechnen Sie h~v 2 i für T = 1000 K zur numerischen
Illustration Ihres Ergebnisses. (Massenzahl von Ag ≃ 108.)
Hinweis: In der (klassischen) statistischen Mechanik ist der Zustand eines
Teilchens in einem idealen Gas der Temperatur T durch die Verteilungsfunktion ρ(~x, ~p) = N exp(−β~p 2 /2m), β = 1/kT im Phasenraum gegeben. Zur
Lösung der Aufgabe genügt es die Funktion
Z
Z(β) = d3 p exp(−β~p 2 /2m)
R3
zu berechnen, da man den Erwartungswert der kinetischen Energie durch
h~p 2 /2mi = −∂ ln Z(β)/∂β erhalten kann. (Wieso?)
2. Im unmittelbaren Bereich des Atomstrahls lässt sich das Magnetfeld des
Stern-Gerlach Versuches (in linearer Näherung) durch
~ x) = (B0 + ax3 )~e3 − ax1~e1
B(~
beschreiben. Der Atomstrahl verläuft dabei längs der 2-Achse, parallel zur
scharfen Schneide des Magneten. Skizzieren Sie den Feldlinienverlauf in der
~ den Maxwellschen Gleichungen divB
~ =0
1-3-Ebene. Überprüfen Sie, dass B
~ = 0 genügt. Zeigen Sie, dass sich für die aufgrund des magnetiund rotB
~ µ · B)
~ der Audruck
schen Moments ~µ des Silberatoms wirkende Kraft F~ = ∇(~
~
F = a(µ3~e3 − µ1~e1 ) ergibt. Wegen der Präzessionsbewegung des magnetischen Moments um die 3-Achse bleibt im Zeitmittel nur eine Kraft in
3-Richtung übrig: hF~ i = aµ3~e3 , a = ∂B3 /∂x3 .
3. Wie groß ist die Ablenkung eines Silberatoms durch die im vorigen Beispiel erhaltene Kraft hF~ i, wenn es die Strecke l im Magnetfeld durchläuft?
5.5. BEWEGUNG EINES SPINS IN EINEM MAGNETFELD
101
Drücken Sie Ihr Ergebnis durch µ3 , ∂B3 /∂x3 , l und die Temperatur T aus.
Verwenden Sie den in der ersten Aufgabe erhaltenen Ausdruck für die Geschwindigkeit des Teilchens in 2-Richtung. Numerische Werte: µ3 = µB =
Bohrsches Magneton = 9.27 ×10−24 J T−1 , ∂B3 /∂x3 = 17 T/cm, l = 3.5 cm,
T = 1000 K. (Vgl.: Walther Gerlach, Otto Stern, Zeitschrift für Physik 9
(1922) 349, 353.)
5.5
Bewegung eines Spins in einem Magnetfeld
Wie wir bereits wissen, hat der Hamiltonoperator eines Spins mit magnetischem
~ die Gestalt
Moment ~µ in einem äußeren Magnetfeld B
~
H = −~µ · B,
~
~µ = γ S.
Wir betrachten zunächst den Fall eines zeitlich konstanten Magnetfelds. Die Hei~ lautet in diesem
senbergsche Bewegungsgleichung für den Spinoperator S
Fall
~
dS(t)
i ~ ~ = γ S(t)
~ × B.
~
= ~µ(t) × B
= H, S(t)
dt
~
~
Legen wir die 3-Achse unseres Koordinatensystems in Richtung von B,
~ = B~e3 ,
B
so erhalten wir
Ṡ1 = γBS2 (t),
Ṡ2 = −γBS1 (t),
Ṡ3 = 0.
Die Lösung dieses Systems von linearen Differentialgleichungen erster Ordnung
lautet:
S1 (t) = S1 (0) cos(γBt) + S2 (0) sin(γBt),
S2 (t) = S2 (0) cos(γBt) − S1 (0) sin(γBt),
S3 (t) = S3 (0).
Man kann dieses Problem natürlich auch im Schrödingerbild behandeln (wir
102
KAPITEL 5. SPIN 1/2
beschränken uns auf den Fall eines reinen Zustands):
H = −γB~σ3 /2,
i~ψ̇(t) = Hψ(t),
ψ(t) = e−iHt/~ ψ(0),
a+ (t)
,
ψ(t) =
a− (t)
iBγ/2
a+ (0)
a+ (t)
e
0
.
, =
a− (0)
a− (t)
0
e−iBγ/2
Aufgabe: Überzeugen Sie sich davon, dass man in beiden Bildern dasselbe Ergebnis für die Erwartungswerte der Spinoperatoren erhält.
Bemerkung: Die Zeitentwicklung des Spinors in einem äußeren Magnetfeld ent~ Ein von Helmut
spricht einer räumlichen Drehung um den Winkel α
~ = −γ B.
Rauch et al. durchgeführtes Neutroneninterferenzexperiment1 beruht auf dieser
Beobachtung.
Wir betrachten nun den Fall eines Magnetfeldes, bei dem zusätzlich zu einem
konstanten Magnetfeld B0~e3 ein zeitabhängiges, in der 1-2-Ebene rotierendes
Magnetfeld B⊥ (cos ωt ~e1 + sin ωt ~e2 ) vorhanden ist:
~
B(t)
= B0~e3 + B⊥ (cos ωt ~e1 + sin ωt ~e2 ).
Der Hamiltonoperator
~ = ~ ~σ
S
2
ist nun ebenfalls zeitabhängig und wir suchen die allgemeine Lösung der Schrödingergleichung i~ψ̇(t) = H(t)ψ(t):
a+ (t)
,
ψ(t) =
a− (t)
~ · B(t),
~
H(t) = −γ S
γ~
a+ (t)
ȧ+ (t)
B0
B⊥ e−iωt
.
= −
i~
a− (t)
ȧ− (t)
−B0
2 B⊥ eiωt
|
{z
}
H(t)
Wir führen die Abkürzungen ω0 = −γB0 , ω1 = −γB⊥ ein und schreiben in
kompakter Form
1
ȧ+ (t)
a+ (t)
ω0
ω1 e−iωt
i
=
.
ȧ− (t)
−ω0
a− (t)
2 ω1 eiωt
1
H. Rauch et al., Physics Letters 54A (1975) 425.
5.5. BEWEGUNG EINES SPINS IN EINEM MAGNETFELD
103
Mit Hilfe der Variablentransformation
b± (t) = e±iωt/2 a± (t)
⇔
a± (t) = e∓iωt/2 b± (t)
gelangen wir zu dem Gleichungssystem
1 ω0 − ω
ω1
ḃ+ (t)
b+ (t)
,
i
=
ω1
ω − ω0
b− (t)
ḃ− (t)
2
|
{z
}
zeitunabhängig
wobei die hier auftretende Matrix
ω0 − ω
ω1
A=
ω1
ω − ω0
nun zeitunabhängig ist. Da A hermitesch ist, müssen ihre Eigenwerte reell sein.
Ist Ω > 0 ein Eigenwert von A, so muss wegen TrA = 0 der zweite Eigenwert
gleich −Ω sein. Aus
det A = −Ω2 = −(ω − ω0 )2 − ω12
erhält man schließlich
Ω=
q
(ω − ω0 )2 + ω12 .
Die Kombination der Spektraldarstellung von A,
A = Ω(P+ − P− )
und der Vollständigkeitsrelation
P + + P − = 12
für die Projektoren P± auf die Eigenräume der Eigenwerte ±Ω liefert für eine
beliebige Funktion der Matrix A die Formel
f (A) =
f (Ω) + f (−Ω) f (Ω) − f (−Ω)
+
A.
2
2Ω
Somit erhält man
b+ (t)
−iAt/2 b+ (0)
=e
b− (0)
b− (t)
Ωt
iA
Ωt
b+ (0)
sin
= cos 12 −
b− (0)
2
Ω
2
Ωt 1 0
i
Ωt ω0 − ω
ω1
b+ (0)
= cos
− sin
ω1
ω − ω0
b− (0)
2 0 1
Ω
2
104
KAPITEL 5. SPIN 1/2
Wir betrachten nun den Spezialfall mit den Anfangsbedingungen
b+ (0) = 1, b− (0) = 0 ⇔ a+ (0) = 1, a− (0) = 0,
welche zu den folgenden Lösungen führen:
b+ (t) = cos
Ωt i(ω − ω0 )
Ωt
+
sin ,
2
Ω
2
b− (t) = −
iω1
Ωt
sin .
Ω
2
Daraus erhalten wir die Wahrscheinlichkeit zum Zeitpunkt t die Spinkomponente
S3 = −~/2 zu messen, wenn zum Zeitpunkt t = 0 der Eigenzustand von S3 mit
dem Eigenwert +~/2 präpariert war:
|a− (t)|2 = |b− (t)|2 =
ω12
ω12
2 Ωt
2 Ωt
sin
=
.
sin
2
Ω2
2
(ω − ω0 )2 + ω1
2
Wie man sieht, kommt es zu einem Resonanzphänomen, die Amplitude
ω12
(ω − ω0 )2 + ω12
wird für ω = ω0 maximal (nämlich 1).
Dieser Resonanzeffekt wurde im Jahr 1939 von Isidor Isaac Rabi mit seiner Molekularstrahlmethode zur Präzisionsbestimmung der magnetischen Momente von
Atomkernen benutzt.
Aufgaben:
1. Skizzieren Sie den zeitlichen Verlauf der Umklappwahrscheinlichkeit
|a− (t)|2 .
2. Skizzieren Sie die Funktion ω → ω12 (ω − ω0 )2 + ω12 .
3. Studieren Sie Aufbau, Durchfürung Ergebnisse des Versuchs von Rabi2 und
stellen Sie den Zusammenhang mit der hier durchgeführten Rechnung her.
Bemerkung: Wir haben das zeitabhängige Magnetfeld als klassisches (nichtquantisiertes) Feld behandelt. Bei genügend starken Feldern ist dies eine zulässige Näherung. Die Interpretation des Resonanzeffekts in der Sprache des quantisierten elektromagnetischen Feldes (Photonfeld) ist die folgende: in dem äußeren Magnetfeld B0~e3 kommt es zu einer Aufspaltung der Energieniveaus des
Spins (±~γB0 /2). Ein Photon des zeitabhängigen Anteils des Magnetfeldes
B⊥ (cos ωt ~e1 + sin ωt ~e2 ) (z. B. Radio- oder Mikrowellenstrahlung) mit Energie
~|ω| = ~|γB0 | und Spin (Helizität) −~ bewirkt einen Übergang in den angeregten Zustand des Spins mit Drehimpuls −~/2.
2
I.I. Rabi et al., Physical Review 55 (1939) 526.